antriebstechnik 12/2020

19174
12 DEZEMBER 2020
Organ der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.
LINEARTECHNIK
Anwendungen geschmeidig ausführen
antriebstechnik.de

WISSEN SCHAFFT IDEEN
19174
SONDERAUSGABE
Im Online-Shop:
vereinigte-fachverlage.de
FIRMENVERZEICHNIS:
Alle wichtigen
Informationen von
über 1 000 Anbietern
DIE GESAMTE
ANTRIEBSTECHNIK
IN 100 TABELLEN
Dieses jährlich erscheinende Tabellenwerk
ist kompetenter Einkaufsführer
für alle Antriebsspezialisten aus
Konstruktion, Produktion, Einkauf
und der Unternehmensleitung.
Über 1.000 Firmen sind mit detaillierten
Angaben zu ihren antriebstechnischen
Produkten und Dienstleistungen für die
„antriebstechnik Marktübersicht“ erfasst.
ANT-HB_2021_SO_Titel_igus_Stoeber_4688858.indd 1 12.11.2020 11:32:27
Ein komplettes Adressverzeichnis
sorgt für den schnellen Kontakt
des Anwenders mit dem Hersteller.
ANTRIEBSTECHNIK MARKTÜBERSICHT 2021
nur € 39,-
@ E-Mail: vertrieb@vfmz.de 6 Telefax: 06131-992/100
Internet: vereinigte-fachverlage.de & Telefon: 06131-992/147
Hiermit bestelle ich
Exemplar/e „antriebstechnik Marktübersicht 2021“ zum Preis von nur € 39,-- zzgl. Versandkosten.
Vertrauensgarantie: Die Bestellung kann innerhalb von 14 Tagen ohne Begründung bei der Vereinigten Fachverlage GmbH widerrufen werden.
Zur Wahrung der Frist genügt die rechtzeitige Absendung.
Name/Vorname
Position
Firma
Abteilung
Straße oder Postfach
PLZ/Ort
Telefon
Datum/Unterschrift
Ihre Daten werden von der Vereinigten Fachverlage GmbH gespeichert, um Ihnen berufsbezogene, hochwertige Informationen zukommen zu lassen. Sowie möglicherweise von
ausgewählten Unternehmen genutzt, um Sie über berufsbezogene Produkte und Dienstleistungen zu informieren. Dieser Speicherung und Nutzung kann jederzeit schriftlich beim
Verlag widersprochen werden (vertrieb@vfmz.de).
Vereinigte Fachverlage GmbH . Vertrieb . Postfach 10 04 65 . 55135 Mainz
Telefon: 06131/992-0 . Telefax: 06131/992-100 . E-Mail: vertrieb@vfmz.de . Internet: vereinigte-fachverlage.de
„Marktübersicht antriebstechnik“ ist eine Publikation der Vereinigten Fachverlage GmbH, Lise-Meitner-Straße 2, 55129 Mainz,
HRB 2270, Amtsgericht Mainz, Geschäftsführer: Dr. Olaf Theisen, Matthias Niewiem, Umsatzsteuer-ID: 149063659, Gerichtsstand: Mainz

EDITORIAL
CORONA UND DIGITALITÄT
Liebe Leserinnen, liebe Leser,
das Jahr 2020 war vom Corona-Virus und seinen
Begleiterscheinungen geprägt. Die Folgen
werden Menschen und Unternehmen noch lange
beschäftigen. Immerhin ist die Politik bei der
Krisenbekämpfung nicht sparsam und will der
Wirtschaft unter die Arme greifen.
Weitgehender Konsens ist, dass der Gesetzgeber
den Unternehmen dabei keine Vorgaben machen
soll. Der Lufthansa-Chef will gar „lieber in die
Insolvenz als sich von der Politk reinreden zu
lassen“. Auf der SPS Connect sprach CSU-Parteichef
Markus Söder davon, Unternehmen aus Industrie
und Fertigung über die Förderung von KI und
Quantencomputern zu unterstützen.
EU-Kommissionspräsidentin Ursula von der Leyen
betonte vor Kurzem, dass der Weg in die
Nach haltigkeit nur über Digitalität führt. Damit
rennt sie im Maschinenbau offene Türen ein – der
Digitalisierungsindex des Instituts der Deutschen
Wirtschaft sieht den Maschinenbau hinter dem
Fahrzeugbau auf Rang 3 der Branchen in Deutschland.
Einzelheiten dazu auf Seite 7 in dieser Ausgabe.
Für beides, Corona und Digitalisierung, wird 2020
in Erinerung bleiben. Schon bald kommt 2021 auf
den Prüfstand. Um Prüfstände geht es auch in
unserem Special ab Seite 30 – allerdings rein von
der antriebstechnischen Seite.
Ich wünsche Ihnen ein frohes Weihnachtsfest und
einen besinnlichen und angenehmen Ausklang
des Jahres 2020.
Ihr
Miles Meier
m.meier@vfmz.de
Hydrostatisch-Elektrisches Lineargetriebe
auf Basis der neuen AX
• Robust, zuverlässig und überlastsicher
• Plug & Produce ohne Hydraulikkenntnisse
• Keine Einschränkungen im Betriebsfeld
• Hohe Energieeffizienz - Rückspeisefähig mit
hohem Wirkungsgrad
• Hohe modulare Flexibilität zur Adaption an
die Applikation
Bucher Hydraulics AG • Industriestrasse 15 • CH-6345 Neuheim
Telefon +41 41 757 03 33 • info.ch@bucherhydraulics.com
www.bucherhydraulics.com

20
EDITORIAL
03 Corona und Digitalität
SOFTSTARTER
06 VTH Jahrestreffen: Krise für Neuorientierung nutzen
07 Menschen, Unternehmen, Märkte
MECHANISCHE ANTRIEBSTECHNIK
LINEARTECHNIK
12 TITEL Laufruhe und Präzision für jede Aufgabe
16 Spindelpresse mit variablem Hub per elektrischem
Servoantrieb
GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN
20 HACCP-Risikofaktoren reduzieren
HYDRAULIK UND PNEUMATIK
22 Auf die Spitze getrieben
ELEKTRISCHE ANTRIEBSTECHNIK
32
36
UMRICHTERTECHNIK
26 Sichere elektrische Antriebe durch flexible Schaltgeräte
DIREKTANTRIEBE
28 Elektrik ersetzt Hydraulik
ANZEIGE
TITELBILD
NSK Deutschland GmbH,
Ratingen
4 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

SPECIAL: PRÜFSTANDTECHNIK
30 Nur Geprüftes wird geliefert
32 Auf Leistung getrimmt
34 Mit Sicherheit im roten Bereich
KOMPONENTEN UND SOFTWARE
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
40 Tragfähigere Welle-Nabe-Verbindungen
durch H-Profile – Teil 2
SERVICE
43 Impressum
36 „Keine falsche Bewegung!”
38 Kunststoff für hohe Beanspruchung
MEIN TIPP
Auf dem Weg in eine
klimaneutrale Zukunft
werden bestehende
Antriebskonzepte
zunehmend hinterfragt.
Auf Seite 22 stellen wir
einen elektrisch-hydraulischen
Antrieb vor, der
auch dezentral einsetzbar
ist. In Kombination mit
einer AX-Pumpe lassen
sich damit auch große
Anlagen vernetzt und
energieeffizient
antreiben.
Ivo Greuloch, Redakteur,
i.greuloch@vfmz.de

SOFTSTARTER
FACHHÄNDLER FÜR ANTRIEBSTECHNIK
KRISE FÜR NEUORIENTIERUNG NUTZEN
Auf seiner Jahreshauptversammlung diskutierte
das Fachforum der VTH-Fachgruppe
„Antriebstechnik“ Zukunftskonzepte. Als
wichtigste Themen kristallisierten sich eine
größere Digitalisierungskompetenz, mehr Nähe
zu Forschung & Entwicklung und neue Wege der
Kundenansprache heraus.
Mit schweren bis drastischen Folgen der COVID-19-Krise
rechnet die Fachgruppe „Antriebstechnik“ im VTH
Verband Technischer Handel e. V. Die Technischen
Händler stellen sich darauf ein, dass Deutschland sein
BIP-Niveau erst in drei bis fünf Jahren wieder erreicht. Weil ihre eigenen
Geschäftsaussichten als Industriedienstleister eng mit den
stark betroffenen Branchen Automotive und Maschinenbau verwoben
sind, suchen die Experten für Antriebselemente und Wälzlager
nun aktiv nach Lösungswegen zur Bewältigung der Rezession.
„Wenn wir die Krise als Chance begreifen, werden wir gestärkt
aus ihr hervorgehen“, lautete die Überzeugung des VTH-Fachgruppenvorsitzenden
Dr. Michael Lutz von der Roth GmbH & Co. KG
aus Nürnberg. Dazu bedürfe es neuer Kompetenzen im Bereich der
Digitalisierung und einer Öffnung hin zu aktiver Innovationsforschung,
meinte Lutz. Um die Herausforderungen zu meistern, will
der Fachhandel das Netzwerken innerhalb des VTH intensivieren
und seine Kooperation mit der Lieferindustrie ausweiten. Als Plattform
bietet sich die VTH-Qualitätspartner-Initiative an, zu der seit
20 Jahren viele führende Markenhersteller gehören.
weiteren Pandemieverlauf sind sehr spekulativ. Aber dass wir nicht
nur eine massive Restrukturierungsphase, sondern auch eine Pleitewelle
in der Industrie erleben werden, ist eine sichere und traurige
Erkenntnis.“ Den vielen Familienunternehmen im Technischen
Handel traut jedoch Gushurst zu, sich und ihre Mitarbeiter durch
„Upskilling“ fit zu machen. Professor Heiko Wrobel, Professor für
Logistik, Großhandel und Allgemeine BWL an der TH Nürnberg
Georg Simon Ohm, ermunterte den deutschen Großhandel als
Ganzes, mehr in Forschung & Entwicklung zu investieren. Er regte
die Gründung eines Forschungsvereins an. Als ein wichtiges Forschungsfeld
nannte er den sprachgesteuerten Einkauf. Der Trend
wird aus dem B2C-Bereich, wo bereits jeder Zehnte einen Sprachassistenten
zum Einkaufen nutzt, in den B2B-Bereich übergehen.
VTH-Hauptgeschäftsführer Thomas Vierhaus äußerte sich zuversichtlich
zur Eigenkapitalausstattung der Fachgruppen-Mitgliedsbetriebe:
„Wenngleich die Antriebstechnik weniger ertragreich und
umsatzrentabel ist als die anderen Handelsbereiche des VTH, so ist
sie ordentlich mit Kapital unterfüttert. Bislang gab es hier durch die
Corona-Krise keine Insolvenzen, und obwohl 83 Prozent unserer Unternehmen
2020 mit teils stark rückläufigen Umsätzen rechnen, soll
das auch so bleiben.“
Fotos: Verband Technischer Handel e.V. & Kollaxo
www.vth-at.de
ZENTRALE ZAHLEN AUS DEM
PWC-MASCHINENBAU- BAROMETER Q3-2020
ONLINE-FACHFORUM WEIST WEGE AUS DER KRISE
Wie die Weichen neu gestellt werden können, beriet die VTH-Fachgruppe
„Antriebstechnik“ und ihr Lieferantenkreis in einem Online-Fachforum.
Die 43 Teilnehmer tauschten sich in vier jeweils
45-minütigen Webinaren mit Wirtschaftsexperten aus.
Dr. Klaus-Peter Gushurst, Leiter Industrie & Innovationen bei PwC
Deutschland, blickte auf die Umsatzerwartungen von - 22 % aufgrund
der Corona-Krise. Gushurst wörtlich: „Alle Aussagen zum
Der Vorstand der VTH-Fachgruppe „Antriebstechnik“: (v.l.): Peter Heuel,
Irle & Heuel , Werner Mallinger, Steyr-Werner, Vorsitzender Dr. Michael
Lutz, Roth, Wolfgang Klink, LDT und René Schmeckthal, LAT & SGF
6 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

SOFTSTARTER
NEUAUFSTELLUNG BEI WEIDMÜLLER DEUTSCHLAND
Das Detmolder Unternehmen Weidmüller stellt seine deutsche Vertriebsgesellschaft Weidmüller
Deutschland neu auf. Ab sofort übernimmt Dr. Christian von Toll die Geschäftsführung Weidmüller
Deutschland sowie die Regionalleitung der deutschsprachigen Länder Deutschland, Österreich und der
Schweiz (DACH). In beiden Positionen berichtet von Toll direkt an Vertriebsvorstand Dr. Timo Berger.
Der 36-jährige von Toll lebt in Detmold und ist nach seiner Promotion an der Technischen Universität
Berlin bereits seit 2014 in verschiedenen Positionen bei Weidmüller tätig. Nach seinem Einstieg als
Vorstandsassistent, leitete er das Global Key Account Management für Siemens und verantwortete die
Integration der nordamerikanischen Weidmüller-Gesellschaft. Zuletzt war er Leiter des globalen Key
Account and Channel Management.
Durch seine bisherige Arbeit kennt er sowohl Kunden als auch die Besonderheiten des Mittelstands
genau. „Ich freue mich auf meine neuen Aufgaben. Gerade in der aktuellen Situation ist es wichtiger
denn je, dass wir nicht nur Dienstleister oder Lieferant sind, sondern ein Partner an der Seite unserer Kunden“, sagt von Toll. Zur
stärkeren Fokussierung auf die deutschsprachigen Kunden gehört auch der geplante Ausbau der digitalen Vertriebsaktivitäten.
Dr. Christian von Toll folgt auf Oliver Schleicher, der das Unternehmen verlässt, um sich neuen Aufgaben zu widmen.
www.weidmueller.de
DIGITALISIERUNG:
GUTE WERTE FÜR
MASCHINENBAU
Japanese quality – trusted worldwide since 1921
Der Maschinenbau zeigt sich
in Sachen Digitalisierung gut
aufgestellt. Laut einer Studie
des Institutes der deutschen
Wirtschaft (IW) liegt er im
Branchenvergleich gemeinsam
mit der Elektrotechnik
auf Rang drei hinter dem
Fahrzeugbau und der
Kommunikationsbranche.
Der Maschinenbau erreichte
dabei eine Bewertung von
144,3 Indexpunkten. Index
100 ist der gewichtete
Durchschnitt der Branchen.
Der Digitalisierungsindex
bewertet Unternehmen, Bundesländer
und Branchen nach
unterschiedlichen Kategorien,
wie Geschäftsmodelle,
Innovationsaktivität oder
Infrastruktur. Einen detaillierten
Ergebnisbericht veröffentlicht
das Institut der
deutschen Wirtschaft Anfang
2021. Eine Übersicht der
Kernergebnisse ist bereits
jetzt online.
www.iwkoeln.de
Bearings
for speed
Get to know our bearings at www.koyo.eu
Automotive components Bearings Machine Tools / Mechatronics

antriebstechnik
WISSEN
SCHAFFT
IDEEN
Newsletter
Der E-Mail-Service
für Anwender
aus dem gesamten Umfeld
mechanischer und
elektrischer Antriebstechnik.
Aktuelle Nachrichten
rund um mechanische,
thermische und elektrische
Antriebstechnik,
sowie deren Steuerungen
und Regelungen.
ABB ÜBERNIMMT ROBOTERHERSTELLER CODIAN
ABB hat Roboterhersteller Codian
Robotics B.V. übernommen. Das
Angebot von Codian Robotics
umfasst eine Produktserie für
Anwendungen mit hohen Hygieneanforderungen,
wie sie etwa in der
Lebensmittel-, Getränke- und
Pharmaindustrie vorherrschen.
Durch den Kauf am 1. Oktober 2020
kann ABB seinen Kunden künftig
eine noch breitere Palette an Deltarobotern und integrierten Lösungen aus einer
Hand anbieten. „Die Übernahme unterstreicht unsere Ausrichtung auf wegweisende
Technologien, die unseren Kunden helfen, das Potenzial der Automatisierung voll
auszuschöpfen und in einem sich rasant verändernden Umfeld noch flexibler zu
werden“, sagte Sami Atiya, Leiter des Geschäftsbereichs Robotik & Fertigungsautomation
von ABB. „Die Technologien und die Branchenkompetenz von Codian
Robotics ergänzen unser Angebot an Lösungen für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie
sowie die Bereiche Servicerobotik und Logistik perfekt.“ Über den Kaufpreis
haben beide Parteien Stillschweigen vereinbart.
www.abb.com
LINEARFÜHRUNGEN VERBESSERN MIT KI
In dem neuen vom Bundesministerium
für Bildung und Forschung geförderten
Forschungsprojekt KI-Predict wollen acht
Unternehmen und Forschungseinrichtungen
gemeinsam unter Einsatz von
unterschiedlichen Sensorsystemen und
Methoden der künstlichen Intelligenz
zustandsbasierte, prädiktive Wartung
von Prozessanlagen und die Überwachung
der Produktqualität direkt im
Produktionsprozess ermöglichen helfen. Die Lineartechnik wurde für das Vorhaben
als eine Beispiel-Applikation für zentrale industrielle Prozesse ausgewählt. Daher
wird im Projekt eine Lineartechnik-Musteranlage durch NTN-SNR aufgebaut und mit
Sensorik Systemen von Sensitec ausgestattet. Die Projektpartner sind Hydac,
Sensitec, NTN-SNR, Fraunhofer Institut, Odion, Canway, Gesellschaft für Fertigungstechnik
und Entwicklung Schmalkalden und die Universität des Saarlandes.
www.iis.fraunhofer.de
NEUER CEO BEI LMT GROUP UND FETTE COMPACTING
Jetzt
kostenlos
anmelden!
IMMER
AKTUELL
INFORMIERT
http://bit.ly/VFV_Newsletter
Die LMT Group hat Joachim Dittrich mit Wirkung
zum 1. Januar 2021 zum Chief Executive Officer
(CEO) von Fette Compacting und zum Mitglied der
Geschäftsführung der Unternehmensgruppe
berufen. Joachim Dittrich übernimmt die Geschäftsführung
der Division Fette Compacting, die
kommissarisch von Daniel Ehmans geführt wurde.
Gemeinsam mit Ehmans, der CEO der LMT Group
und der LMT Tools ist, wird Dittrich auch die
strategische Weiterentwicklung der LMT Group
verantworten. Dittrich (56) ist Maschinenbau-Ingenieur und verfügt über
langjährige Erfahrung im Spezialmaschinenbau. Der gebürtige Hamburger
übernimmt die Führung von Fette Compacting in einer Phase, die für den
Spezialmaschinenbauer viele Chancen bietet. Die Tablettenpressen und Kapselfüllanlagen
des Unternehmens sind weltweit in der pharmazeutischen Industrie
und bei der Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln im Einsatz.
www.lmt-group.de

SOFTSTARTER
WEG VERDOPPELT SEINE KAPAZITÄTEN
IGUS ORGANISIERT GESCHÄFTSFÜHRUNG NEU
Auf einem mehr als 11 ha großen Grundstück am Standort
Kerpen wird Antreibstechnik-Spezialist WEG seine Kapazitäten
verdoppeln. Der Spatenstich ist für Januar 2021 geplant.
Es soll ein modernes Büro- und Produktionsgebäude mit
250 Arbeitsplätzen und mehr als 46 000 m² Nutzfläche
entstehen. In den Fokus rückt das „European Express
Customization Center“ mit insgesamt mehr 4 000 m². Dort
werden bestehende Dienstleistungen erweitert und neue
aufgebaut. Der nachhaltige Neubau wird 65 Mio. EUR
kosten, über begrünte Dächer, eine 750 kWp Photovoltaikanlage
sowie Elektrotankstellen für E-Fahrzeuge verfügen.
„Dieses Projekt ist für uns in Deutschland und Europa ein
sehr wichtiges Unterfangen, um dem anhaltenden Wachstum
gerecht zu werden und unsere Kunden noch besser und
schneller bedienen zu können“, kommentiert Wilmar
Henning, Geschäftsführer der WEG Germany GmbH. Im
Frühjahr 2022 will das Unternehmen einziehen.
www.weg.net
Um einen eigenen Weg von Technologie und Firmenkultur
beizubehalten und zu intensivieren, erweitert Igus seine Geschäftsführung.
Die neuen Geschäftsführer Gerhard Baus, New
Businesses, Michael Blass, E-Kettensysteme, Tobias Vogel, Gleitlager
& Lineartechnik, sowie Artur Peplinski, Igus International,
ergänzen jetzt die Unternehmensführung rund um Frank Blase.
„Ich freue mich, dass ich mit diesem Team arbeiten darf. Zusammen
haben wir 148 Jahre Igus-Erfahrung. Uns eint der Enthusiasmus
für motion plastics.“ Jeder der neuen Geschäftsführer
verantwortet weltweit einen Produktbereich; einer baut die
Firmen vor Ort aus. „Das ist ungewöhnlich und entspricht gleichzeitig
unserer ,Sonnensystem-Organisation‘, wo der Kunde als
Energiespender im Zentrum steht“, so Frank Blase.
www.igus.de
ERSTER INDUSTRIELLER QUANTENSENSOR
Die Trumpf-Tochtergesellschaft
Q.ANT und der
Sensorik-Spezialist
Sick arbeiten
künftig gemeinsam
an der
Entwicklung
quantenoptischer
Sensoren. Vertreter beider Unternehmen haben
Anfang November einen Kooperationsvertrag unterzeichnet,
um Quantentechnologie für Sensoren im industriellen
Einsatz nutzbar zu machen.
Quantensensoren ermöglichen Messungen in einer
Genauigkeit, die technisch bislang nicht möglich war. Der
Unterzeichnung vorausgegangen war ein erfolgreich
abgeschlossener Funktionstest des weltweit ersten für die
Serienfertigung nutzbaren quantenoptischen Sensors. Sick
übernimmt die Anwendungsentwicklung und den Vertrieb
des Produkts, die Trumpf-Tochter Q.ANT kümmert sich als
Spezialist für Quantentechnologie um die Fertigung der
Messtechnik und damit das technologische Herzstück des
Sensors. Der erste Einsatz der neuen Quantensensoren ist
für 2021 geplant.
www.sick.com

SOFTSTARTER
EU: 800 MILLIARDEN EURO FÜR OFFSHORE-
ENERGIE BIS 2050
FÜHRUNGSEBENE VON B&R TÜRKEI NEU
BESETZT
Die EU will den Ausbau von alternativen Energiequellen im Offshore-
Bereich stark ausbauen. Schon bis 2030 soll der Energiegewinn aus
Windkraft verfünffacht werden, bis 2050 sogar um den Faktor 25
wachsen. Dann sollen 300 Gigawatt aus Offshore-Windanlagen
kommen. Zusätzlich sollen 40 Gigawatt aus Meeresenergie und
anderen Quellen geschöpft werden. Der für den Grünen Deal
zuständige Exekutiv-Vizepräsident Frans Timmermans erklärte dazu:
„In der heute vorgelegten Strategie zeigen wir sowohl die Dringlichkeit
als auch die Möglichkeiten auf, mehr in erneuerbare Offshore-
Energie zu investieren. Dank unserer Meeresbecken und der Spitzenposition
unserer Industrie verfügt die Europäische Union über
sämtliche Voraussetzungen, diese Herausforderung anzugehen.
Erneuerbare Offshore-Energie ist bereits eine echte europäische
Erfolgsgeschichte. Wir wollen sie in eine noch größere Chance für
saubere Energie, hochwertige Arbeitsplätze, nachhaltiges Wachstum
und internationale Wettbewerbsfähigkeit verwandeln.“ Die für
Energie zuständige Kommissarin Kadri Simson fügte hinzu: „Europa
ist auf dem Gebiet der erneuerbaren Offshore-Energie globaler
Spitzenreiter und kann bei deren weltweitem Ausbau zur treibenden
Kraft werden.
Bild: Kim Hansen
www.europa.eu
Ömer Yücel hat im September 2020 die Geschäftsführung
von B&R Türkei übernommen. In dieser Position will
er die Präsenz der 2012 gegründeten Tochtergesellschaft
auf dem hiesigen Markt weiter ausbauen.
Seine Laufbahn bei B&R startete Ömer Yücel 2014 als
Applikationsingenieur. Später wechselte der studierte
Elektrotechniker in den Vertrieb und war zuletzt Sales
Manager Türkei. „Der Automatisierungssektor in der
Türkei befindet sich im Aufschwung. Besonders das
Exportgeschäft in den eurasischen Raum nimmt stark zu.
Dieser Umstand bietet große Chancen für B&R“, so Ömer
Yücel zu den Perspektiven für das Unternehmen. Dabei
setzt der neue Landegeschäftsführer auch auf das
Konzept „Vision 2030“ des türkischen Maschinenbauverbandes
Makfed. Für dessen Umsetzung sei das Zusammenspiel
von Maschinen und Elektronik sowie deren
Entwicklung entscheidend. An dieser Stelle komme B&R
mit seiner Kompetenz und langjährigen Erfahrung in der
Industrieautomatisierung ins Spiel.
www.br-automation.com
225 JAHRE BOSCH REXROTH: AM ANFANG STAND DER HÖLLENHAMMER
1795 nahm Georg Ludwig Rexroth den wassergetriebenen
„Höllenhammer“ im Elsavatal im
Spessart für die Eisenherstellung in Betrieb. Heute
ist die Bosch Rexroth AG als Technologie- und
Marktführer für Antriebs- und Steuerungstechnologien
ein globaler Partner für den weltweiten
Maschinen- und Anlagenbau. Das Unternehmen
setzt effiziente, leistungsstarke und sichere
Bewegungen in Maschinen und Anlagen jeder Art
und Größenordnung um. Rund 31 000 Mitarbeiter
in mehr als 80 Ländern treiben mit leistungsfähigen
Komponenten und Software-basierten
Lösungen die Digitalisierung und die Nachhaltigkeit
von Maschinen und Anlagen voran. „Bosch
Rexroth hat jeden Technologiesprung der vergangenen
225 Jahre aufgenommen, in Innovationen
umgewandelt und das Geschäftsmodell daran angepasst“, fasst Rolf Najork, Geschäftsführer der Robert Bosch GmbH mit
Verantwortung für den Bereich Industrietechnik und Vorstandsvorsitzender der Bosch Rexroth AG, das Erfolgsrezept zusammen.
www.boschrexroth.com
10 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

SOFTSTARTER
VERNETZEN SIE SICH MIT
www.antriebstechnik.de
digital.antriebstechnik.de
www.antriebstechnik.de/facebook
www.antriebstechnik.de/twitter
www.antriebstechnik.de/linkedin
www.antriebstechnik.de/xing
MEGATRON WIRD 60
Die Megatron
Elektronik GmbH &
Co. KG feiert 2020 ihr
60-jähriges Bestehen.
Begonnen als
Vertriebsfirma, hat
sich das Unternehmen
in den vergangenen
Jahrzehnten
konsequent auf die
Entwicklung kundenindividueller
Produktlösungen
für
industrielle und
medizintechnische Anwendungen rund um die Sensorik spezialisiert.
Heute finden sich die passgenauen Sensoren, Joysticks, Präzisionskomponenten
und Bauelemente in tausenden Design-Ins von Kunden aus aller
Welt. Zuletzt brachte das Unternehmen zahlreiche innovative Produkt-Serien
auf den Markt, darunter das SpaceMouse-Module zur 3D-Steuerung, die
modulare Hall-Drehgeber-Serie ETx mit zahlreichen Elektronik-, Softwareund
Mechanik-Optionen und die optisch-elektronischen Inkrementalgeber
der Serie SPM. „Als nächstes werden wir unser Portfolio an magnetischen
Drehgebern stark optimieren und erweitern“, berichten die Geschäftsführer
Thomas Volkwein und Corinna Vizenetz (im Bild).
www.megatron.de
Das Kaiser-Wilhelm-Denkmal in
Porta Westfalica, unserer Heimat.

LINEARTECHNIK
TITEL

TITEL
LINEARTECHNIK
VON WERKZEUGMASCHINEN BIS MEDIZINTECHNIK
LAUFRUHE UND PRÄZISION
FÜR JEDE AUFGABE
Die Lineartechnik hat sich aufgrund ihrer
Laufruhe und Präzision zu einer gefragten
Technik auch abseits der Werkzeugmaschinen
entwickelt. Für den Einsatz in der
Medizintechnik müssen Linearführungen,
Rollenumlaufführungen und
Kugelgewindetriebe zudem durch einen
wartungsarmen Betrieb überzeugen.
Eduardo Rodriguez ist Director Seiki Management
Unit, European Industrial Business Unit bei der
NSK Deutschland GmbH in Ratingen
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 13

LINEARTECHNIK
TITEL
Hohe Tragfähigkeit, hohe Steifigkeit und präzise Führung:
Dieses Eigenschaftsprofil sollen Linearführungen im
Werkzeugmaschinenbau erfüllen. Denn der Weg zu hochgenauer
Bearbeitung führt nur über eine hohe Steifigkeit
der Führungselemente. Das gilt nochmals mehr für die Oberflächenbearbeitung,
z. B. für Schleifprozesse.
Die RA-Serie der Lineartechnik-Spezialisten von NSK ist nach
diesem Gebot entwickelt worden und arbeitet in zahlreichen
Werkzeugmaschinen und vereinzelt auch in Schleifmaschinen.
Die Führungen verfahren hoch präzise und vibrationsarm. Zugleich
soll ihre Steifigkeit höchsten Ansprüchen genügen. Das ist
ein wichtiger Faktor bei vielen Bearbeitungsverfahren, wo Druck
und Gegendruck auf Werkstück und/oder verfahrbares Werkzeug
ausgeübt wird.
Diesen dauerhaften Druck nehmen die RA-Führungen auf und
erreichen dabei eine hohe Verfahrgenauigkeit und Lebensdauer.
Möglich wird das durch diverse konstruktive Detaillösungen wie
spezielle Rückhalte- und Umlenkungskomponenten. Dadurch werden
u. a. Vibrationen, die beim Rollenumlauf entstehen, auf ein
Minimum reduziert. Zusätzlich führt eine aufeinander abgestimmte
Distanz- und Rückhaltetechnologie der Rollenkörper zu einer hohen
Gleichförmigkeit der Verschiebekraft.
Eine Abdichtung an der Unterseite des Führungsschlittens verhindert
zudem, dass z. B. beim Durchfahren von Partikelansammlungen
in der Maschine Verschmutzungen in den Führungswagen
gelangen. Das ist ein wichtiges Konstruktionsdetail in vielen Anwendungen
des Werkzeugmaschinenbaus.
DAUERHAFTE SCHMIERUNG
Für die Schmierung von Rollenumlaufführungen hat das Unternehmen
die K1-Schmiereinheit entwickelt. Bei dieser Einheit ist das Öl
in eine Trägersubstanz integriert, die den Schmierstoff sukzessive
abgibt. Ein Nachschmieren ist damit – je nach Anforderung – nicht
zwingend erforderlich. Fehlerursachen, wie eine Überschmierung
oder die viel schwerwiegendere Mangelschmierung, können dadurch
ausgeschlossen werden. Außerdem verhindert die sorgfältige Abdichtung
Verunreinigungen auf der Lauffläche. Zugleich wird weniger
Schmierstoff an die Umgebung abgegeben. Aufgrund der großen
Nachfrage nach dieser Art der kontinuier lichen Schmierstoffversorgung
hat NSK die K1 zur K1-L weiterentwickelt. Sie unterscheidet
sich von der K1 durch ein neues Trägermedium auf Polyolefinbasis.
Das Polymer erlaubt die Speicherung eines größeren Ölvorrates.
Außerdem weist die Einheit eine geringe dynamische Reibung auf.
ANTRIEBE FÜR DIE BILDGEBENDE DIAGNOSTIK
Glatte Oberflächen und eine hohe Positioniergenauigkeit sind Eigenschaften
der Lineartechnik, die insbesondere in der Medizintechnik
gefragt sind. Ein Blick auf Medizingeräte für bildgebende Verfahren
(MRT, CT, PET, etc.) zeigt die konkreten Anforderungen.
In diesen Anlagen kommen Linearsysteme zum Einsatz, um z. B.
Strahlenquellen oder spezielle Blenden zur Führung der Strahlen
zu positionieren. Eine nur leicht raue Oberfläche der Laufbahn
oder winzige Unregelmäßigkeiten im Bewegungsablauf können bereits
zu verfälschten Ergebnissen führen. Die bildgebenden Geräte
liefern dann keine optimale Darstellung, was eine zutreffende Diagnose
erschwert.
Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Antriebs- und
auch Führungselemente. Bei MRT-Scannern (Kernspintomographen)
gehört der elektromotorisch angetriebene Kugelgewindetrieb zu
den zentralen Komponenten. Er bewegt die bildgebende Einheit
mit sehr hoher Genauigkeit und Gleichförmigkeit.
Bei den zugehörigen Scan-Einheiten handelt es sich um große
und komplexe Geräte. Deshalb müssen die Kugelgewindetriebe in
der Lage sein, die hohen Lasten beim Ausrichten der Strahlungsinstrumente
mit höchster Laufruhe und Positioniergenauigkeit zu
bewegen. Außerdem beruht das Wirkprinzip der MRT-Technologie
auf der Erzeugung magnetischer Wechselfelder. Unter diesen Umgebungsbedingungen
dürfen Antriebskomponenten wie Kugelgewindetriebe
keinen Einfluss auf die Magnetfelder haben. Ansonsten
können fehlerhafte Darstellungen der Scan-Ergebnisse
die Folge sein.
01 Rollenumlaufführungen werden sowohl an ihrem ruhigen,
reibungsarmen Lauf als auch ihrer extremer Steifigkeit gemessen
02 An der Unterseite des Führungsschlittens hält eine Abdichtung
den Führungswagen frei von Verschmutzungen
03 Medizingeräte der bildgebenden Diagnostik, wie ein CT oder MRT,
profitieren von den Kugelgewindetrieben, die auch große Lasten mit
hoher Laufruhe bewegen
02
01
14 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

TITEL
LINEARTECHNIK
KUGELFÜHRUNG MIT GOTISCHEM PROFIL
ERLAUBT RUHIGE BEWEGUNGEN
NSK hat das Einsatzprofil seiner Kugelgewindetriebe an die sensible
Umgebung der Medizintechnik angepasst. So führen die Antriebskomponenten
bei hoher Tragfähigkeit eine gleichförmige Linearbewegung
aus. Dadurch lassen sich die Scan-Geräte präzise
steuern. Das ist eine wichtige Voraussetzung für das Generieren
hochwertiger Bilder. Neben der Vermeidung von Fehldiagnosen erhöht
der laufruhige Kugelgewindetrieb auch den Patientenkomfort
bei der Behandlung.
Ein Grund für die gleichförmige Bewegung ist der Verzicht auf
eine kreisbogenförmige Kugelführung. In einem solchen Führungssystem
können sich die Kugeln verkeilen und damit einen unruhigen
Lauf generieren. Um dies zu vermeiden verwendet NSK ein
gotisches Profil mit einer spitzbogenförmigen Kugelführung. Dadurch
wird das Laufverhalten zwischen Kugeln und Laufbahnen
optimiert, der Druckwinkel und die Schmiegungsverhältnisse sind
klar definierbar. Die Vorspannung im Kugelgewindetrieb eliminiert
das Spiel und verhindert so ein Umkehrspiel. So wird hohe Präzision
erreicht.
MINIMALER WARTUNGSAUFWAND GEFORDERT
Eine weitere wichtige Eigenschaft von Linearantrieben in Geräten
der medizinischen Bildgebung ist die lange Lebensdauer mit einem
Minimum an Wartungsaufwand. Die Linearantriebe und Kugelgewindetriebe
von NSK setzen für den Einsatz in der medizinischen
Bildgebung einen speziellen Schmierstoff ein, der bei Bedarf auch
in einer FDA freigegebenen Version verfügbar ist. Die Schmierung
fördert die Laufruhe sowie das Ausführen präziser Linearbewegungen.
Langfristig reduziert diese Fähigkeit den Verschleiß. Dadurch
erhöht sie die Betriebszeit sowie die Lebensdauer der medizinischen
Scan­ Geräte.
Die NH-Linearführung verfügt für den wartungsarmen Betrieb in
bildgebenden Systemen über eine speziell angepasste Kugellaufbahngeometrie.
Im Vergleich zur Vorgängerbaureihe steigert sich
die dynamische Tragzahl dadurch bis zu 30 %, was eine verdoppelte
Ermüdungslebensdauer ermöglicht. Trotzdem bleibt die geräuscharme
NH-Baureihe kompakt hinsichtlich Abmessungen und Gewicht.
Eine weitere Anforderung im Bereich Medizintechnik und ebenso
im Nahrungsmittelmaschinenbau ist die Einhaltung entsprechender
Hygienevorschriften sowie die Korrosionsfestigkeit von Antriebskomponenten.
Diverse Baureihen, z. B. die NH/NS-Linearführung,
sind deshalb in Edelstahl oder mit Duralloy- und einer Oxidbeschichtung
aus Schwarzchrom ausgeführt. Über Anwendungen in
der Medizintechnik und im Nahrungsmittelmaschinenbau hinaus
setzen sich Linearsysteme zunehmend auch in der automatisierten
Labortechnik durch. Für das Verfahren von kurzen Distanzen mit
hoher Geschwindigkeit und sehr kurzen Taktzeiten stehen spezielle
Baureihen zur Verfügung.
CONDITION MONITORING FÜR LINEARSYSTEME
IN ENTWICKLUNG
Für die nahe Zukunft plant NSK seine Linearsysteme mit Condition­
Monitoring-Anwendungen zu optimieren. In kritischen bzw. sensiblen
Anwendungen von rotativen Lagern ist die Integration in
Condition Monitoring-Systeme bereits Realität. Solche Lösungen
hat das Unternehmen u. a. für die Windtechnik und für Radantriebe
von Schienenfahrzeugen entwickelt. Hier werden Betriebsparameter
kontinuierlich erfasst, um Rückschlüsse auf Verschleiß zu erlauben.
Praktische Auswertungen ergaben eine spürbare Steigerung
der Betriebssicherheit. Künftig sollen solche Systeme auch in der
Lineartechnik eingesetzt werden. Einen entsprechenden Demonstrator,
der kontinuierlich den Verschleiß von Kugelgewindetrieben
misst und anzeigt, hat NSK noch vor dem ersten Lock-Down zu Beginn
des Jahres auf diversen Fachmessen vorstellen können.
Fotos: NSK Europe Ltd.
www.nskeurope.de
03
DIE IDEE
„Bei der Verbesserung von Komponenten
der Lineartechnik ist akribische
Detailarbeit gefragt: Wie lässt sich,
zum Beispiel, die Umlenkung von
Rollenführungen so verbessern, dass
die beim Rollenumlauf entstehenden
Vibrationen auf ein Minimum
reduziert werden? Wie muss ein
Rückhalte- und Distanzierungssystem
für die Rollenkörper konstruiert
sein, das eine möglichst gleichförmige
Verschiebekraft gewährleistet?
Für unsere Entwickler in
Japan und Deutschland sind das
faszinierende Fragen, auf die sie
immer wieder überzeugende
Antworten finden.“
Eduardo Rodriguez, Director Seiki
Management Unit, European Industrial
Business Unit, NSK Deutschland
GmbH
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 15

LINEARTECHNIK
ELEKTROZYLINDER
SPINDELPRESSE MIT VARIABLEM HUB
PER ELEKTRISCHEM SERVOANTRIEB
Das Unternehmen Vetter Automation hat
gemeinsam mit den Partnern Ortlieb und Stöber
eine Servospindelpresse mit bis zu vier Spindeln
entwickelt, die variable Hübe mit wechselnden
Geschwindigkeiten und Kräften fahren kann.
Herzstück dieser Maschine ist der Serac
Elektrozylinder von Ortlieb. Der Lineartrieb
basiert auf der Asca Servospindel und kombiniert
die Vorteile eines Planetengetriebes, angetrieben
durch einen Elektromotor von Stöber.
Nicole Hillmayr ist Journalistin bei Mediaword in Tübingen
Der Markt für Pressen und Stanzen ist in Bewegung. In Branchen
wie der Halbleiterindustrie sind nicht mehr nur die
klassischen Schnellläuferpressen für hohe Stückzahlen
gefragt. Es zählen auch Flexibilität und Variantenreichtum.
Und wenn es z. B. um Power-Connectoren geht, sind Prozesse
wie Vermessen, Blistern, Sortieren und schneller Werkzeugtausch
Voraussetzung des Umformvorgangs – gerade auch für die schnelle
Produktion kleinerer Losgrößen.
Den Impuls zur neuartigen Servospindelpresse gab ein Kunde
von Vetter, der für ein neues Produkt im Bereich E-Mobilität eine
Presse benötigte. Sie sollte einen größeren flexiblen Hub sowie hohe
Stanzkräfte in jeder Position der Presse sicherstellen; und dies über
einen langen Weg bei hohen Geschwindigkeiten. Gängige Exzenterpressen
konnten das nicht leisten, da sie sehr groß bauen und z. B.
beim Hub keine Flexibilität bieten. Hydraulikpressen dagegen
konnten die Geschwindigkeiten nicht erreichen. Vetter hatte im
Vorfeld bereits mit Ortlieb-Produkten gearbeitet und kannte die
Eigenschaften der Servospindel, sodass eine gute Grundlage für
eine Zusammenarbeit bestand. Durch den Einsatz von vier Spindeln
ließen sich zudem auch die hohen Kräfte erreichen.
16 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

LINEARTECHNIK
PRINZIP DER PLANETEN-WÄLZ-GEWINDESPINDEL
Die Asca Servospindel basiert auf dem Funktionsprinzip einer
Planeten-Wälz-Gewindespindel (PWG). Drehbewegungen von Motoren
werden in lineare Bewegungen umgewandelt. In Kombination
mit einem Planetengetriebe ermöglicht die Spindel eine hohe Flexibilität
und die Optimierung der Auslegung von Elektromotoren.
Der Anwender kann Steigungen ab 1 mm für sein Projekt – hier die
Presse – definieren und so auch hohe Geschwindigkeiten durch
hohe Steigung bei gleichzeitig hoher Kraftdichte erreichen. Dies gilt
auch für geringe Geschwindigkeiten bei geringer Steigung und ermöglicht
hohe Kräfte. Eine feine Regelung erlaubt eine Wiederholgenauigkeit
von +/- 5 µm. Das Übersetzungsverhältnis von Drehund
Hubbewegungen lässt sich durch die Spindelsteigung flexibel
konfigurieren. Eine Kombination aus Servomotor und Regelungstechnik
in einem Bauteil bietet einen verbesserten Wirkungsgrad
und damit Energieeinsparungen gegenüber hydraulischen Systemen.
Außerdem wird keine Hydraulikflüssigkeit – also Öl oder ein
anderes Fluid – benötigt; ein wichtiger Umwelt- und Sicherheitsaspekt.
Und durch die hohe Steifigkeit des Komplettsystems sind
Position und Geschwindigkeit einfach regelbar. Ein integriertes
Wegmesssystem sorgt für hohe Positioniergenauigkeit unter Last.
Durch die flexible Regelbarkeit der Spindeln lassen sich kurze Taktzeiten
erreichen.
GERÄUSCHE MINIMIERT
Planeten-Wälz-Gewindespindeln sind leiser als andere Kugelgewindeantriebe,
da hier keine Rückführung von Rollen oder Kugeln notwendig
ist. Zudem arbeitet das Ortlieb-System mit einer elliptischen
Auflagefläche anstatt einer punktuellen, sodass auch so Geräusche
reduziert werden. Obendrein sind PWG durch den systembedingten
Schlupf der Gewindespindel äußerst langlebig. Dadurch ändern sich
die Berührungspunkte von Spindel und Planetenrollen ständig und
typische Verschleißstellen werden vermieden. Das verbessert Standzeiten
und trägt zur Robustheit der Motoren bei. Zudem ermöglicht
die intelligente Steuerung gleichzeitig eine hohe Präzision.
Elektromotoren mit Servospindel lassen sich beim schnellen
Positionieren gut regeln, wodurch sich kurze Taktzeiten erreichen
01
02
lassen. Sie bieten außerdem die Möglichkeit der Prozessdatenerfassung
und damit eine frühzeitige Fehlervermeidung. Daten können
schon während des Prozesses ausgelesen und parametriert werden.
So sind Kraft und Geschwindigkeit über den gesamten Hubweg
jederzeit über die Parametrierung kontrollierbar.
GROSSE VIELFALT AN KOMPLETTPAKETEN
Die Serac Baureihe von Ortlieb deckt ein komplettes Standardportfolio
von 5 bis 400 kN ab. Durch die Kombination mehrerer Antriebe
sind bis zu 600 kN und mehr erreichbar. Dabei sind Elektroservozylinder,
PWG und Zubehör wie Sensoren, Regler oder BUS-Systeme
jeweils anwendungsspezifisch austauschbar. In verschiedenen
Baureihen sind diese als Komplettlösungen verfügbar. Bei Vetter
kamen die Servospindeln Serac XH100 mit einer Hublänge von
100 mm zum Einsatz. Die abtriebsseitig als Gewindespindel ausgeführte
Motorwelle des Servomotors treibt die Spindelmutter direkt
an. So soll eine optimale Dynamik entstehen. Es sind Beschleunigungen
bis zu 29,4 m/s 2 möglich.
KEIN VERKANTEN DER PLATTEN
Die Aufgabe der Firma Stöber beim Projekt Servospindelpresse war
die Entwicklung der Motoren- und Antriebselektronik für die Spindeln.
Jeden der vier Spindelgewindetriebe von Ortlieb treibt ein
aufgesetzter Motor an und muss diese zum Rotieren bringen. So
können die Spindeln an jeder der vier Ecken die Pressen-Stößelplatten
synchron auf und ab bewegen. Schwierig dabei war die ab-
01 Der Elektrozylinder – mit integrierter Servospindel, die auf dem
Funktionsprinzip der Planeten-Wälz-Gewindespindel basiert – ist das
Herzstück der neuen Servospindelpresse
02 Elektromotoren mit Servospindel lassen sich beim schnellen
Positionieren gut regeln, wodurch sich kurze Taktzeiten erreichen lassen

LINEARTECHNIK
solute Synchronisierung der Motoren, also ein Vier-Achs-Gleichlauf,
um ein Verkanten der Platten zu vermeiden. Dies gelang mit den
Stöber Antriebsreglern der Baureihe SD6.
Diese Regler bieten hohe Performance und Flexibilität, gute Präzisionsregelung
von Servoachsen, die mit Encodern EnDat 2.2 digital
ausgestattet sind und ermöglichen die Bestimmung von etwa
33 Mio. Positionen pro Umdrehung. Zudem erbringen sie eine hohe
Regelperformance durch einen 32-Bit Dual-Core-Prozessor und
die verschleißfreien elektronischen Sicherheitsfunktionen STO.
KOMPENSATION DES SYSTEMBEDINGTEN
SCHLUPFS
Eine zusätzliche Herausforderung war die Kompensation des systembedingten
Schlupfs der Servospindeln. Dies gelang durch ein
hochpräzises Erfassen der Positionssignale des externen Encodersystems
– in diesem Fall mit magnetostriktiven Wegsensoren an
den vier Positionen – und eine leistungsfähige Echtzeitsteuerung
mit hoher Taktfrequenz. Dabei kommt ein induktives lineares Wegmesssystem
zum Einsatz, das auf einem SSI-Protokoll basiert und
direkt über den Stöber Antriebsregler ausgewertet und verarbeitet
wird. Um dann die Motoren auf dieses lineare Wegmesssystem zu
synchronisieren, musste ein virtueller Master geschaffen werden,
der die Signale an die vier physischen Motoren absolut synchron
ausgibt. Dadurch und durch das Planetengetriebe zwischen Motor
und Spindel ließen sich die feine Auflösung von wenigen µm und
Taktraten von Millisekunden erreichen.
KONSTRUKTIVER ENTWICKLUNGSPROZESS
Bei der Sensorik griff Vetter auf einen Hersteller zurück, mit dem
das Unternehmen schon seit Jahren zusammenarbeitet. Von der
ersten Besprechung im April 2017 dauerte es nur wenige Monate
bis zur Auslieferung der ersten Anlage Anfang Dezember 2017.
Nach den Erfahrungen im Dauerbetrieb mit höheren Taktraten
erfolgte eine notwendige Modifikation. So war die Thermik – gerade
bei den 2-Spindel-Maschinen – zu Anfang eine Herausforderung.
Auch die Viersäulen-Spindelpresse gestaltete sich komplex in
Mechanik und Programmierung. Software und Schnittstellen
mussten angepasst werden. Doch durch die gute Zusammenarbeit
und vor allem durch die große Erfahrung fanden
die drei Unternehmen schnell Lösungen.
Bei den Spindelpressen verbindet
Vetter aktuelle technische Komponenten
zu einer funktionsfähigen
Einheit, die auf die Bedürfnisse des Anwenders zugeschnitten
ist. Die Viersäulen-Spindelpresse ist für den Einbau und Betrieb
von Biege- und Trennwerkzeugen mit und ohne Stanzabfall konzipiert.
Ihre Presskraft beträgt je nach Baugröße zwischen 20 und
600 kN. Bremsen im Motor sowie federbelastete, pneumatische Haltebremsen
sichern die Stößelplatte vor Herabfallen ab.
VARIABLER EINSATZ BEI KURZEN RÜSTZEITEN
Vor allem für Einsätze im Umfeld der Steckerfertigung ist die Servospindelpresse
deutlich flexibler als die bisherigen Lösungen. Sie
liefert kleinere Stückzahlen, die mehr Feinheiten bei der Sortierung
benötigen, dafür weniger fehleranfällig sind. Kürzere Rüstzeiten
durch einen schnelleren Umbau auf andere Produktlinien sind
ohne Weiteres möglich. Es lassen sich problemlos kleine Vor- oder
Musterserien mit begrenztem Aufwand fertigen. Die Servospindelpresse
ermöglicht schnelle Produktprozesse mit variablen Produktlinien.
Nebem dem Automobilbereich kann die Servospindelpresse
z. B. für die Batterieherstellung eingesetzt werden. So sind die unterschiedlichsten
Stecker herstellbar – etwa für Powerkollektoren
in der Sonnenenergie-Erzeugung. Die Spindelpressen produzieren
im Dreischichtbetrieb inzwischen mehr als eine Million Teile ohne
Verschleißerscheinungen – weder an den Spindeln noch an
den Planetengetrieben, Servomotoren und Antriebsreglern oder
der Mechanik.
Fotos: Aufmacher, 01 - 02 Vetter, 03 Ortlieb & Stöber
www.ortlieb.net
DIE IDEE
„Vetter Automation suchte eine Lösung für
eine flexiblere Presse für kleine Losgrößen.
Durch die Zusammenarbeit zwischen
Vetter und Ortlieb, war die Idee einer
Servospindelpresse schnell geboren.
Dafür lieferten wir das Herzstück, den
Serac Elektrozylinder mit integrierter
Asca Servospindel, basierend auf einer
PWG. Sie wird angetrieben von einem
Stöber-Elektromotor. Die Servospindelpresse
mit bis zu vier Spindeln kann
variable Hübe mit wechselnden Geschwindigkeiten
und Kräften fahren.“
03 Der Antriebsregler
sorgt für die absolute
Synchronisierung
der Motoren, also ein
Vier-Achs-Gleichlauf, um
ein Verkanten der Platten
zu vermeiden
Dirk Laubengeiger, Geschäftsführer,
Ortlieb Präzisionssysteme GmbH & Co. KG
18 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

MARKTPLATZ
FLEXIBLE SENSORMODULE FÜR WEG- ODER
WINKELMESSSYSTEME
Um die stark applikationsspezifischen
Anforderungen an
moderne Weg- und
Winkelmesssysteme zu
erfüllen, sind die
Sensormodule
EBx7914 und EBM7921
von Sensitec maximal
flexibel. Das Modell
EBx7914 für inkrementelle
Weg- oder Winkelmesssysteme
ist in
zwei Basisvarianten
verfügbar – mit und ohne Referenz-/Indexsensor – und kann
mit unterschiedlichen AMR-FixPitch-Sensoren bestückt
werden. Es verfügt über einen hochauflösenden Interpolator
und kann flexibel parametriert werden. Der integrierte
Auto-Abgleich steigert die Mess-Performance im Betrieb. Das
EBM7921 ist konzipiert für absolute Weg- oder Winkelmesssysteme
und nutzt das Nonius-Messprinzip. Zwei TMR-Fix-
Pitch-Sensoren ermöglichen sowohl lineare Wegmessung als
auch Messungen am Wellenumfang, z. B. bei Hohlwellen-Drehgebern
oder -Motoren. Die Palette wird ergänzt durch das
Focus-Abgleichsystem, das die bestehende Zahnsensormodulfamilie
EBx7811 unterstützt.
www.sensitec.com
DYNAMISCHE ANWENDUNGEN GERÄUSCHARM
MEISTERN
Rodriguez hat
eine neue
Miniatur-Linearführung
auf den
Markt gebracht.
Die Baureihe BM
zeichnet sich
durch verbesserte
Leichtgängigkeit
und ein spezielles
Umlenksystem
aus, das für einen
geräuscharmen Lauf sorgt. Die in Edelstahl ausgeführte
Profilschienenführung wurde für Einsätze in der Medizintechnik,
der Halbleiterindustrie, beim 3D-Druck und in der Messtechnik
konzipiert. Hohe Dynamik wird über eine Geschwindigkeit
v = 5 m/s und eine Beschleunigung a = 140 m/s 2 erreicht.
Ein integriertes Schmierstoffreservoir schafft weitgehende
Wartungsfreiheit und ein modifiziertes Dichtungssystem
verhindert die Kontamination der Kugelumlaufeinrichtung mit
dem Schmierstoff. Weiter kennzeichnend sind eine Haltevorrichtung
zur Vermeidung von Kugelverlust und ein geräuschreduzierendes
Umlenksystem. Erhältlich ist die neue Miniatur-Profilschienenführung
in drei kompakten Baugrößen mit Schienenlängen
bis 1 000 mm. Universale Referenzkanten vereinfachen
die Montage.
www.rodriguez.de
SYSTEMGESTÜTZT AKTIV GEGEN STILLSTAND
UND DATENVERLUST
Das Unternehmen
Bicker Elektronik
präsentiert ein
DC-USV-Modul mit
integrierter
Lithium-Ionen-Batterie.
UPSI-2406DP1
überbrückt Stromausfälle,
Spannungseinbrüche
und Flicker in der
24VDC-Stromversorgung.
Mit der
DC-Notstromversorgung lassen sich Lasten bis 100 W
überbrücken. Das Modul ist in einem DIN-Rail-Gehäuse
untergebracht und für den 24/7-Einsatz geeignet. Im
Normalbetrieb stellt UPSI-2406DP1 die netzseitig gespeiste
Nominalspannung am Ausgang zur Verfügung, lädt den
Li-Ion-Batteriepack und überwacht die Spannungsschwellen
am Eingang. Bei Unterschreiten der definierten Werte
schaltet das System ad hoc auf den USV-Backup-Betrieb um
und stellt am Ausgang eine gesicherte Spannungsversorgung
für den 24VDC-Verbraucher sicher. Mit einer Kapazität von
2.5 Ah / 37 Wh liefert die Lithium-Ionen-Batterie Energie zur
Überbrückung einer Last von 96 W für rund 15 min bzw. einer
Last von 25 W für zirka 60 min. Das System ist geprüft nach
IEC/UL/CSA 61010-1 / -2-201.
www.bicker.de
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 19

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN
SPEZIFIZIERUNG VON GETRIEBEMOTOREN
HACCP-RISIKOFAKTOREN
REDUZIEREN
Die Bauweise eines Getriebemotors steht sowohl
für dessen Leistungsfähigkeit als auch für
Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Beim Einsatz
in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie
wird zudem die strenge Einhaltung der Hygienevorschriften
verlangt. Das Unternehmen
Bauer Gear Motor hat vor allem für hygienekritischen
Anwendungen die Getriebemotoren
der Hiflexdrive-Reihe konzipiert.
Das HACCP-System (Hazard Analysis and Critical Control
Points – Gefahrenanalyse und kritische Kontrollpunkte) ist
ein international anerkanntes Konzept zur Verringerung
von Risikofaktoren bei der Herstellung oder Verarbeitung
von Lebensmitteln. Es arbeitet nach dem Prinzip der kontinuierlichen
Verbesserung und soll die Hersteller ermutigen, jeden Prozess
in ihrer Produktionslinie ständig neu zu bewerten, um mögliche
Gefahren zu erkennen und Risiken zu minimieren. Der Hauptzweck
des Konzepts besteht darin, Menschen vor durch Lebensmittel
verursachten Krankheiten zu schützen; es wird jedoch auch als
Markus Kutny ist Director of Sales Vertical Markets bei der
Bauer Gear Motor GmbH in Esslingen
Verfahrensweise zur Verbesserung der Qualität und Konsistenz des
Endprodukts anerkannt.
FORDERUNGEN DER INDUSTRIE
Das Verständnis der Bedeutung der Prozesse rund um die Risikoanalyse
in der Produktionslinie hilft, die Entwicklung der in der Industrie
eingesetzten Getriebemotortechnologie zu erklären. Vor allem
erklärt sich so, warum die Industrie verlangt, dass die Hersteller von
Getriebemotoren in Forschung und Entwicklung für aseptische Lösungen
investieren – und zwar in die Entwicklung spezieller Beschichtungen
und sogar Edelstahlvarianten ihrer neuen Produkte.
Aseptische Antriebe sind so konzipiert, dass sie alle Leistungsvorteile
eines Standard-Getriebemotors bieten und gleichzeitig den
Antrieb vor der regelmäßigen, intensiven Nassreinigung schützen
sowie die Ansammlung von Mikroorganismen verhindern. Die Antriebe
werden normalerweise mit säure- und alkalibeständigen
Beschichtungen lackiert, die Chemikalien in einem pH-Bereich von
zwei bis zwölf widerstehen können. Diese Antriebe bieten i. d. R.
auch eine hohe Schutzart und sind mit einer glatten Außenseite
versehen, um die Ansammlung von Schmutz zu verhindern.
GLATTE OBERFLÄCHEN FÜR BESSERE REINIGUNG
Die Hiflexdrive-Reihe von Bauer Gear Motor ist ein Beispiel für
Getriebemotoren, deren Weiterentwicklungen vor allem auf verbesserte
Leistung in hygienekritischen Anwendungen ausgerichtet sind.
Die Reihe ist so konstruiert, dass keine Lüfter und Kühlrippen erforderlich
sind, wodurch ein vollkommen glattes Außengehäuse mit
ab gedichtetem B-Lagerschild ermöglicht wird. Dadurch können die
Antriebe mit Effizienzklasse IE4 Super Premium Efficiency und in
20 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN
01
03
01 Aseptikantriebe bieten alle Vorteile eines Standard-
Getriebe motors, schützen aber gleichzeitig den Antrieb
bei rauen Reinigungszyklen und verhindern die
Ansammlung von Mikroorganismen
02 Edelstahl-Getriebemotoren erfüllen alle von Organisatio
nen wie der FDA und der NSF festgelegten Vorschriften,
ohne, dass spezielle Beschichtungen erforderlich sind
02
03 Das Spezifizieren von Edelstahl-Getriebemotoren
reduziert die Risikofaktoren im HACCP-Konzept
DIE IDEE
Schutzklasse IP69K angeboten werden, die
zum Schutz bei der Anwendung von Hochdruck-
und Dampfreinigern dient. Durch
den vollständigen Verzicht auf Belüftungen
ergibt sich eine glatte Oberfläche, wodurch
sich das Motorgehäuse besser reinigen lässt
und Kontaminationen des Umgebungsbereichs
aufgrund von Verwirbelungen der
Raumluft durch einen Kühllüfter vermieden
werden.
Obwohl Spezialbeschichtungen bei
korrekter Aufbringung und Pflege eine
gute Leistung erbringen, besteht immer
ein Risiko, dass die Beschichtung während
des Betriebs des Motors Schaden
nimmt und der Getriebemotor an Widerstandsfähigkeit
gegenüber Kontamination
einbüßt. Mit der Übernahme der HACCP-
Prinzipien entscheiden sich viele Hersteller
dafür, Getriebemotoren in Edelstahlausführung
zu spezifizieren, wenn diese in
Bereichen betrieben werden, in denen eine
mechanische Beschädigung nicht auszuschließen
ist.
NATÜRLICH KORROSIONS-
UND CHEMIKALIENBESTÄNDIG
Getriebemotoren aus Edelstahl – wie die
der Hiflexdrive-Reihe – erfüllen alle Vorschriften
von Organisationen wie der Food
and Drug Administration (FDA) und der
National Science Foundation (NSF), ohne
dass spezielle Beschichtungen erforderlich
wären. Als Basiswerkstoff ist Edelstahl von
Natur aus korrosions- und chemikalienbeständig,
auch wenn er nach einem Aufprall
verkratzt oder eingedellt wurde.
Die Hiflexdrive-Reihe umfasst drei Baugrößen
von 80 bis 330 Nm in Standard-,
Aseptik- und Edelstahlausführung, bei einer
Leistung bis zu 6,3 kW, abhängig von
der gewählten Baugröße. Die zwei stufige
Getriebekonstruktion erlaubt je nach Getriebetyp
Übersetzungen von bis zu 109:1,
was die Abdeckung eines breiten Anwendungsbereichs
ermöglicht.
Ob die Anwendung am meisten von einer
Edelstahlausführung oder einer aseptischen
Beschichtung profitiert, hängt von
den Umgebungsbedingungen ab, denen
der Motor ausgesetzt wird. Die Ingenieure
von Bauer Gear Motor helfen Anwendern
bei der Beurteilung deren Umgebungen
und beraten bei der Wahl der am besten
geeigneten Lösung unter Berücksichtigung
von Effizienz, Zuverlässigkeit, Risiko
und langfristiger Kosteneinsparung.
Fotos: Bauer Gear Motor GmbH
www.bauergears.com
„Das Hazard Analysis and Critical Control
Points (HACCP)-System ist die Methode
zur Reduzierung von Risikofaktoren bei
der Herstellung oder Verarbeitung von
Lebensmitteln. Für Förderbänder,
Mischer und Rührwerke, Verpackungsmaschinen
und ähnliche Anlagen ist die
Auswahl eines speziellen hygienischen
Getriebemotors der Schlüssel zur
Minimierung der HACCP-Risikofaktoren.
Sowohl aseptisch beschichtete als auch
Motoren aus Edelstahl sind anwendbar,
jedoch für unterschiedliche Anwendungsbereiche.“
Markus Kutny, Director Sales Vertical
Markets, Bauer Gear Motor GmbH
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 21

HYDRAULIK UND PNEUMATIK
DEZENTRALER LINEARANTRIEB MIT AX-PUMPE
AUF DIE SPITZE
GETRIEBEN
Es wird ernst, der Klimawandel ist nicht mehr zu
leugnen. Damit die Industrie weiter produzieren
und für sichere Arbeitsplätze sorgen kann, muss
die Effizienz der Fertigungsprozesse deutlich
verbessert werden. Bucher Hydraulics hat daher
die dezentrale hydraulisch-elektrische
Linearachse Helax mit AX-Pumpe konzipiert.
Demonstriert wird dessen Leistungsfähigkeit
anhand eines inversen Pendels.
Mehrere politische Initiativen auf nationaler und europäischer
Ebene zielen im Sinne des Klimaschutzes auf
eine gesteigerte Effizienz. Dazu muss auch die Industrie
ihren Beitrag leisten. Unter anderem sollen hocheffiziente,
elektrisch angetriebene Lösungen konventionelle Antriebe
ablösen. Betrachtet wird dabei das gesamte System und nicht mehr
nur die einzelne Komponente. Vernetzte Antriebe sollen ein Management
ermöglichen, das möglichst sparsam mit Energie umgeht.
In der Vergangenheit sind energieeffiziente Lösungen oft am zu
hohen Preis gescheitert, weil Energie und auch der Preis für CO 2
-
Emissionen noch zu günstig waren. Durch die aktuelle Klimaproblematik
und -diskussion ändert sich diese Situation gerade. Energetisch
günstigere elektromechanische Antriebe stoßen jedoch oft an
technologische Grenzen, vor allem, wenn es um hohe Kräfte bei
geringem Bauraum geht.
VORAUSSCHAUEND HANDELN
Hydraulikzylinder sind geradezu prädestiniert, wenn es darum
geht, lineare Bewegungen mit hohen Kräften zu erzeugen. Nachteil:
Die Steuerung oder Regelung der Bewegung in konventionellen
Systemen funktioniert auf Basis von Ventilen, die hohe Drosselund
damit Energieverluste erzeugen. Außerdem schränkt die meist
zentrale Anordnung großer Hydraulikaggregate, deren Energie
über lange Strecken verteilt werden muss, die Energieeffizienz zusätzlich
ein.
Die etablierten Systeme sind hinsichtlich ihrer Initialkosten beim
Bau von Maschinen allerdings deutlich günstiger, weshalb sie immer
noch einen hohen Stellenwert im Maschinen- und Anlagenbau haben.
Was meist nicht bedacht wird: Im Laufe der Betriebsdauer verursachen
sie so hohe Energiekosten, dass diese die ursprüngliche
Investition weit übersteigen können.
Hersteller energetisch günstigerer elektromechanischer Antriebe
versuchen seit einigen Jahren, hydraulische Antriebe für lineare
Bewegungen zu substituieren. Direktelektrische Antriebe ohne Getriebe
gibt es bisher allerdings nur vereinzelt und mit beschränkten
Leistungsdaten. So reizvoll ein direkter Antrieb ist, ohne Getriebeübersetzung
fallen elektrische Antriebe prinzipbedingt groß aus,
22 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

HYDRAULIK UND PNEUMATIK
weil vielzählige Anwendungen hohe Kräfte auch bei geringen
Geschwindigkeiten erfordern.
Grundsätzlich wird jeder elektromechanische Antrieb von einem
eigenen E-Motor angetrieben. Im Gegensatz dazu treibt in der
traditionellen Hydraulik ein E-Motor mit Hydraulikpumpe über
Steuerventile mehrere Zylinder an. Das erklärt, warum elektromechanische
Antriebstechnik höhere Investitionen erfordert. Und bei
hohen Kräften, wie Hydraulikzylinder sie bereitstellen, sind mechanische
Linearantriebe aufwendiger und schwerer.
FLEXIBLE ANORDNUNG MÖGLICH
Die Energieeffizienzstrategie der deutschen Bundesregierung verlangt
in Zukunft hocheffiziente dezentrale Antriebe, die vernetzt in
Gesamtsystemen arbeiten. Dies setzt neue Systemansätze und Subsysteme
voraus. So lassen sich die Drosselverluste an den Steuer-/
Regelventilen vermeiden, wenn jeder einzelne Hydraulikzylinder
von einem eigenen E-Motor und Pumpe angetrieben wird. Damit ist
die Ursache für den geringen Wirkungsgrad der traditionellen
Hydraulik eliminiert.
Ein weiterer Vorteil gegenüber der starren Anordnung von E-Motor,
Getriebe und Rollspindel eines elektromechanischen Linearantriebs:
Die Komponenten des hydraulischen Linearantriebs lassen
sich flexibel in Maschinen und Anlagen anordnen. Damit sind die
kompakten Dimensionen eines Hydraulikzylinders voll nutzbar.
E-Motor und Pumpe lassen sich an einem passenden Einbauort in
der Nähe montieren. Darüber hinaus sind viele weitere Features
der klassischen Hydraulik wie Überlastschutz, Wärmeabfuhr,
Dämpfung oder Nothaltfunktionen leicht integrierbar.
Kritischer Part solcher Anwendungen ist oftmals die Pumpe, weil
die Zuverlässigkeit nicht in allen Betriebspunkten optimal ist. Das
gilt vor allem bei hohen Kräften und geringen Geschwindigkeiten
oder beim Reversieren. Die konventionellen Hydraulikpumpen
sind vor 50 Jahren nicht für diesen Einsatzzweck entwickelt worden,
werden aber dennoch mit bestimmten Einschränkungen hierfür
benutzt. Daher erzeugen konventionelle Hydraulikpumpen die
höchste Verlustleistung im Subsystem Linearantrieb.
Bucher Hydraulics hat unter Einsatz der neuartigen AX-Pumpen
hocheffiziente, dezentrale Linearantriebe namens Helax (hydraulic
electric linear axis) vor allem für diese Zwecke entwickelt. Sie funktionieren
ohne Drosselventile mit drehzahlgeregelten Servomotoren
und AX-Pumpen im geschlossenen Kreis. Die bekannten
Eigenschaften des Hydraulikzylinders hinsichtlich Kraft, Geschwindigkeit,
Robustheit und Zuverlässigkeit bleiben uneingeschränkt
erhalten.
01 Durch den modularen Aufbau kann die Systemlösung einfach an
verschiedene Zylinderarten angepasst werden – die AX Pumpe versorgt
das System dabei mit geregeltem Volumenstrom ohne Drosselverluste
EINSETZBAR FÜR VARIABLE DREHZAHLEN
Die AX-Pumpe ist für drehzahlvariable Anwendungen einsetzbar:
Mit 24 Kolben sind die Pulsationen niedrig und es kann mit hoher
Zuverlässigkeit in allen vier Quadranten gefahren werden. Die
Performance des elektrischen Antriebs ist vollständig nutzbar.
Die sonst zu beachtende minimale Drehzahlgrenze konventioneller
Pumpen ist bei den AX-Pumpen nicht mehr vorhanden. Mit
dem hohen AX-Wirkungsgrad bis 94 % ist die Verlustleistung auf
dem gleichen Niveau wie bei E-Motoren und Getrieben. Zudem
weisen sie nur eine geringe Geräuschentwicklung auf.
Eine Inbetriebnahme des hydraulischen Linearantriebs ist mithilfe
der On-Board-Elektronik, in Verbindung mit einer Software, ohne
besonderes Hydraulik-Know-how mit den Kenntnissen der elektrischen
Antriebstechnik möglich. Die Vorgabe von Motion-Control-
Signalen erfolgt z. B. mittels CAN-Bus, die Software setzt die Signale
in die gewünschte Bewegung um. Der Anwender muss sich nicht im
Detail mit den Eigenschaften der Hydraulik beschäftigen und kann

HYDRAULIK UND PNEUMATIK
DIE IDEE
„Mit den dezentralen hydraulischelektrischen
Linearachsen Helax
können Maschinen und Anlagen die
zukünftigen Forderungen an höhere
Energieeffizienz erfüllen. Bei hohen
Kräften sind Hydraulikzylinder nicht
zu ersetzen. Die Steuerung und
Regelung muss jedoch effizienter
erfolgen. Bucher Hydraulics bietet
Herstellern von Maschinen, die hohe
Kräfte benötigen, ein hocheffizientes
Subsystem an. Mit vor allem für
diese Anwendungen geeigneten
AX-Pumpen wird ein zuverlässiger
Betrieb mit geringer Verlustleistung
erreicht.“
02 Die Wirkungsgrad-Kennfelder des Subsystems, motorisch für den Antrieb
und generatorisch für die Energierückgewinnung, zeigen einen Wirkungsgrad
von 82 respektive 84 % und sind auf dem Niveau elektromechanischer Antriebe
sich ganz auf die Funktion seiner Anwendung konzentrieren. Der hydraulische
Linearantrieb lässt sich also wie jeder E-Antrieb ins System integrieren.
HOHE POSITIONIERGENAUIGKEIT UND KRAFT
Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems aus Umrichter, Servomotor,
AX-Pumpe und Zylinder erreicht bis zu 82 %. Bei der Rückgewinnung potenzieller
Energie aus Senk- und Bremsvorgängen ist ein Wirkungsgrad von bis
zu 84 % möglich. Versuche zeigen außerdem eine hohe Positioniergenauigkeit
auch bei hoher Kraft. Um die hohe Leistungsfähigkeit des Systems zu
demonstrieren, entwickelten die Hydraulikexperten von Bucher Hydraulics
die Regelung eines inversen Pendels an einer Schlittenmasse von 1,2 t. Das
Subsystem wird im Dauerbetrieb ohne Kühler betrieben.
Der elektrische Servomotor des hydraulischen Linearantriebs ist am Gleichstromnetz
angeschlossen. Das ermöglicht eine Energievernetzung; rückgespeiste
Energie eines anderen Antriebs ist sofort und direkt nutzbar. Sie lässt
sich aber natürlich auch in Energiespeichern wie Batterien zwischenspeichern.
Die Energiespeicher können kurzzeitig Spitzenleistung zur Verfügung stellen,
ohne die Strom-Einspeisung mit hohen und teuren Stromspitzen zu belasten.
Das System lässt sich im Hinblick auf Industrie-4.0-Konzepte im Rahmen der
Digitalisierung und Vernetzung mit wenigen Sensoren und den ohnehin vorhandenen
Daten aus dem Antriebsregler erfassen. Diese Daten ermöglichen
ein effizienzsteigerndes Energiemanagement, ein Condition-Monitoring und
nicht zuletzt eine vorausschauende Wartung.
Dierk Peitsmeyer, Product Portfolio
Manager, Bucher Hydraulics
VIDEO
INVERSES PENDEL – WAS IST DAS?
Das Ziel ist, ein inverses Pendel an
einem Schlitten mit 1,2 Tonnen
Masse zum obersten Punkt aufzuschwingen
und dort zu halten. Das
erfordert sowohl eine leistungsfähige
Datenverarbeitung, als auch einen
entsprechend hochwertigen
direkten Antrieb.
https://bit.ly/buchydr
Fotos: Bucher Hydraulics
www.bucherhydraulics.com
24 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

SYSTEMEINHEIT MIT ATTESTIERTER REINIGUNGSFREUNDLICHKEIT
Nach Überarbeitung der Edelstahl-Bauteile hat das von Kipp
und Freudenberg Sealing Technologies entwickelte Schraubund
Dichtsystem Hygienic USIT eine EL Class I AUX-Zertifizierung
erhalten. Laut EHEDG (European Hygienic Engineering
and Design Group) lassen sich sämtliche Komponenten
reinigen, ohne zerlegt werden zu müssen. Für eine verbesserte
Zentrierung wurde der Innendurchmesser der Dichtscheibe
geringfügig verkleinert. Darüber hinaus hat Kipp die
Abstufungen der Schaftlängen verfeinert. In bestimmten
Längenausführungen verfügen die Schrauben nun über ein
Regelgewinde bis zum Schraubenkopf. Um das Verschraubungssystem optisch zu vereinheitlichen,
wurde zudem die Hutmutter an den Schraubenkopf angepasst. Grundlage des Schraubund
Dichtsystems ist die USIT-Dichtung von Freudenberg.
www.kipp.com
ZYKLOIDGETRIEBE FÜR AUTOMATISIERTE VERBINDUNGSPROZESSE
Aufgrund ihres zweistufigen Untersetzungsprinzips eignen sich Zykloidgetriebe von Nabtesco auch für
automatisierte Klebeverfahren. Die Positionierung der Raupen erfolgt mit einem Spiel von unter einer
Winkelminute. Voraussetzung für langzeitstabile Verbindungen sind auch fehlerfreie Klebenähte.
Klebstoffraupen müssen daher möglichst schnell und punktgenau aufgetragen werden. Dieser Vorgang
wird durch Zykloidgetriebe von Nabtesco unterstützt. Sie zeichnen sich durch hohe Drehmomentleistungen,
Schockbelastbarkeit bis zu 500 % des Nenndrehmoments sowie ein geringes Spiel aus (Hystereseverlust
0,5 bis max. 1 arcmin). Zu einer Verlängerung der Lebensdauer tragen integrierte Schrägkugellager
bei, die äußere Kräfte und Momente aufnehmen. Die Kompakt-Getriebe lassen sich auch bei beengten
Platzverhältnissen nutzen. Zudem wirkt sich ihre Positionier- und Wiederholgenauigkeit positiv auf die
Funktionssicherheit der Systeme zum Auftragen des Klebstoffs sowie zum Ausrichten der Werkstücke aus.
www.nabtesco.de
SICHERHEITS- UND PERFORMANCETESTS IN
HYBRIDEN NETZWERKEN
KUNDENSPEZIFISCHE
ANTRIEBE ALS
Mit CyPerf stellt Keysight Technologies eine Cloud-native
Software für Performance- und Sicherheitstests in verteilten
Netzwerken vor. Damit soll die Markteinführung neuer
Security-Tools und Dienste beschleunigt werden. CyPerf
verwendet eine agentenbasierte Architektur. Die Web-basierte
GUI-Oberfläche unterstützt Anwender bei der
Visualisierung und Interaktion mit netzwerkrelevanten
Elementen. Dabei stellt die Software detaillierte Ansichten
des Datendurchsatzes, der Verbindungsrate, der simulierten
Nutzer und der durchschnittlichen Latenzzeit zwecks
Erfahrungsbewertung zur Verfügung. Dazu Ram Periakaruppan,
Vice President und General Manager der Keysight
Group: „CyPerf kann von Unternehmen und Netzwerksicherheits-Anbietern
eingesetzt werden, um das Gleichgewicht
zwischen digitaler Nutzererfahrung und Sicherheit in einer
dynamischen hybriden Umgebung, die aus Cloud-Providern
von Drittanbietern und Netzwerkkonnektivität besteht, fein
abzustimmen.“
www.keysight.com
Asynchron und synchron
Antriebe
Direktantriebe (Torque)
Reluktanzantriebe
Axialfl uss Antriebe
Brandenburger Strasse 10
D-88299 Leutkirch im Allgäu
phone +49 7561 98248-0
info@ate-system.de
www.ate-system.de
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 25

UMRICHTERTECHNIK
Carsten Schwanke ist Produktmanager Schütze
bei der Schaltbau GmbH in München
SCHÜTZE
SICHERE ELEKTRISCHE ANTRIEBE
DURCH FLEXIBLE SCHALTGERÄTE
Schaltlichtbögen sind für permanenterregte
Synchronmotoren eine potentielle
Schadensursache. Eine spezielle Schütz-Technik
für das Schalten großer elektrischer Leistungen
dämmt die gefährlichen Plasmagase auch bei
hochfrequenten Motoren sicher ein.
Der Elektromotor als zentrales Element der elektrischen
Antriebstechnik arbeitet mit einem Wirkungsgrad von
rund 95 %. Damit ist der Elektromotor deutlich effizienter
als ein Verbrennungsmotor, dabei gleichzeitig leiser und
wirtschaftlicher. In Bezug auf die Effizienz gibt es noch einen weiteren
Vorteil: Durch Rekuperation kann ein Teil der Bewegungsenergie
beim Bremsvorgang wieder zurückgewonnen werden. Dies
kann aber auch zu Problemen führen. Speziell bei Synchronmotoren
setzt die generatorische Wirkung sofort ein, falls das Drehfeld durch
einen Fehler ausfallen sollte.
PERMANENTERREGTE SYNCHRONMOTOREN
ALS DIREKTANTRIEB
In Hochgeschwindigkeitszügen der 1. Generation wurden Käfigläufer-Asynchronmotoren
in Verbindung mit Getrieben als Antriebe
eingesetzt. Diese Kombination aus Motor und Getriebe hat den
Nachteil einer hohen Schallemission des Fahrmotors aufgrund der
notwendigen Fremdbelüftung. Außerdem führt das Getriebe zu
hohen Anschaffungs- und Wartungskosten sowie erhöhtem Platzbedarf
und Gewicht. Mit der Verwendung von permanenterregten
Synchronmotoren (PSM) als Direktantrieb kann auf Getriebe verzichtet
werden. In der Folge sinken Lärmemission, Gewicht und
Wartungsaufwand deutlich. Bei dieser Antriebsvariante wird die
Geschwindigkeit direkt über die Frequenz der speisenden Umrichter
geregelt.
Permanenterregte Synchronmotoren haben aber auch einen entscheidenden
Nachteil: Bei Ausfall des Drehfeldes, z. B. durch eine
Störung des Umrichters, fungiert der Antrieb sofort als Generator,
der die Energie ungeregelt in das Versorgungssystem zurückspeist.
Dies muss im Fehlerfall unter allen Umständen verhindert werden.
Dazu muss die elektrische Verbindung zwischen Umrichter und
Motor durch Schütze unterbrochen werden.
SCHALTTECHNIK FÜR HOHE STRÖME UND
SPANNUNGEN
Schütze sind elektrisch oder elektromagnetisch (in Sonderanwendungen
auch pneumatisch) betätigte Schalter für große elektrische
Leistungen. Schütze wurden entwickelt, um große Verbraucher aus
der Ferne über Steuerleitungen mit relativ kleinem Querschnitt zu
schalten. Beim Anlegen einer Steuerspannung an die Spule des
Schützes zieht das Magnetfeld eine elektrische Brücke in einen aktiven
Zustand – die Hauptkontakte schließen sich. Ohne Steuerspannung
stellen Federn den Ausgangszustand wieder her – die Kontaktstrecke
ist wieder offen.
Bei größeren Strömen und hohen Spannungen kann durch die
hohe Stromdichte am Kontaktpunkt im Moment des Schaltvorgangs
die Ionisationsschwelle der Luft überschritten werden. Es
entsteht ein Plasma – ein Gas aus ionisierten Luftmolekülen und
freien Elektronen – zwischen den Kontaktpunkten. Die Entstehung
solcher Schaltlichtbögen hat zwei wesentliche Folgen: Erstens fließt
trotz geöffneter Kontakte weiterhin Strom, da das Plasma eine hohe
elektrische Leitfähigkeit aufweist. Zweitens treten sehr hohe Temperaturen
bis zu 20 000 K auf, die Schäden an den Kontakten des
Schützes sowie an umliegenden Anlagenteilen verursachen können.
Durch den Nulldurchgang der Spannung, der bei einer Netz­
26 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

UMRICHTERTECHNIK
frequenz von 50 Hz spätestens nach 20 ms eintritt, kann der Lichtbogen
vergleichsweise einfach gelöscht werden.
Problematisch ist dabei das Schalten von induktiven Lasten, da
Spannung und Stromverlauf hier phasenverschoben sind. Bei energiereichen
Lichtbögen, wenn Spannungen und Ströme relativ hoch
sind, kann trotzdem eine Schädigung des Schützes bzw. der gesamten
Anlage eintreten. Deswegen sind verschiedene Maßnahmen
vorzusehen, um dem entgegenzuwirken.
SCHLEIFENWIRKUNG LÖSCHT LICHTBÖGEN
AUCH BEI HOHEN FREQUENZEN
Konventionell aufgebaute Schütze arbeiten mit Permanentmagneten
oder elektromagnetischen Blasspulen, um den Lichtbogen
schnell aus dem Kontaktbereich in die Löscheinrichtung zu treiben.
Bei einer Frequenz von 50 Hz verbleiben 20 ms, um den Lichtbogen
auf die Leitstücke kommutieren zu lassen, die Blasspulen zu aktivieren
und den Lichtbogen in die Löschkammer zu treiben. Da
PSM-Antriebe mit höheren Frequenzen arbeiten, ändern sich hier
die Voraussetzungen. Bei 400 Hz beträgt das Zeitfenster nur noch
1,5 ms – dies ist für viele Schütze zu kurz, um den Lichtbogen kommutieren
zu lassen. Außerdem ergeben sich noch weitere Effekte,
die berücksichtigt werden müssen.
Zum einen entsteht durch das häufigere Ummagnetisieren bei
400 Hz Wärme, die vor allem die metallischen Zusatzbauteile eines
konventionellen Schützes, wie Polplatten und Magnetkerne stark erhitzen.
Die vorhandenen Induktivitäten ergeben zusätzliche Zeitkonstanten,
die einen Versatz von Spannung und Strom beim Nulldurchgang
hervorrufen. Dadurch kann beim Nulldurchgang der Spannung
der Strom noch so hoch sein, dass es sofort zu einem Wiederzünden
des Lichtbogens kommt. Konventionell aufgebaute Schütze eignen
sich daher nicht zum Schalten von höheren Frequenzen.
Mit den neuen Schütze der Baureihe CF ist es möglich, durch
Umrichter gespeiste Wechselstromantriebe (PSM) mit höheren
Frequenzen sicher zu schalten. Das hohe Ausschaltvermögen resultiert
unter anderem aus der doppelten Kontaktunterbrechung
pro Schaltkammer. Des Weiteren verfügt das CF über ein hohes
Kurzschluss-Einschaltvermögen von 4 kA und eine hohe Kurzzeitstromtragfähigkeit
von bis zu 5 kA.
Für die Lichtbogenlöschung in dieser Schütze-Baureihe verwendet
Schaltbau das Prinzip der Schleifenwirkung. Stromdurchflossene
Leiter bilden ein Magnetfeld, und auch der Schaltlichtbogen bildet
während der Brenndauer ein Magnetfeld aus. In Verbindung mit
einer speziellen Geometrie der Festkontakte und der Kontaktbrücke
entsteht so eine Blaswirkung, die den Lichtbogen weg von
der Kontaktzone in Richtung der Löschkammer treibt. Von den ferromagnetischen
Löschblechen – den Splitter Plates – wird er dann
angezogen. Der Schaltlichtbogen kommutiert auf die Löschbleche
Die Schütze verfügen über Löschkammern, mit denen sich Schaltlichtbögen
auch bei höheren Frequenzen sicher eindämmen lassen
und wird dann gelängt, gekühlt und zum Erlöschen gebracht,
ohne das Schütz zu verlassen.
Die neu entwickelten Schaltkammern können als Schließer,
Öffner oder in Kombination als Umschalter konfiguriert werden.
Verschiedene Löschkammerelemente aus Kunststoff, Stahl oder
Keramik stehen zur Verfügung. Dadurch kann das Schütz exakt auf
die Schaltanforderungen der Applikation ausgelegt werden kann.
MODULARER BAUKASTEN FÜR
IDEALE SCHÜTZELÖSUNG
Um eine große Bandbreite in Bezug auf Strom und Spannung abzudecken
und gleichzeitig eine spezifische Schützelösung für spezielle
Anwendungen zu bieten, ist die Baureihe CF als modularer Baukasten
ausgelegt. Ein- bis sechspolige Varianten für unidirektionalen
Gleichstrom, bidirektionalen Gleichstrom und Wechselstrom bis zu
mehreren hundert Hz sind modular konfigurierbar – das Schütz
kann somit optimal an die Kundenapplikation angepasst werden.
Die Baureihe führt Ströme bis zu 400 A pro Schaltelement (in Parallelschaltung
bis zu 1 800 A) bei Wechselspannungen oder Gleichspannungen
bis 3 000 V. Der Anwender hat die Möglichkeit, sich ein
Schütz genau für seine Applikation zu konfigurieren und kann
damit seine Anwendung sowohl elektrisch, als auch hinsichtlich
Bauvolumen und Kosten optimieren. Die Schütze der Baureihe CF
erfüllen alle Normen und Regelwerke für den Einsatz im Bahnbereich
(u. a. EN 60077) und im Industriebereich (u. a. EN 60947).
Fotos: Aufmacher: Papichev Aleksandr –stock.adobe.com; 01- 02: Schaltbau GmbH
www.schaltbau.com
DIE IDEE
„Schaltlichtbögen sind ein im Prinzip gut
untersuchtes Phänomen in der Elektrotechnik.
Moderne Antriebe mit permanenterregten
Synchronmaschinen, die mit
Umrichtern bei Frequenzen von teilweise
deutlich über 50 Hz betrieben werden,
stellen aber eine neue Herausforderung
für die Schalttechnik dar. Diese Herausforderung
haben wir mit der Entwicklung
unserer CF-Schütze angenommen und
können jetzt eine leistungsfähige Lösung
für diese Anwendungen anbieten.“
Carsten Schwanke, Produktmanager
Schütze, Fa. Schaltbau GmbH in München
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 27

DIREKTANTRIEBE
EMISSIONSARMES ANTRIEBSKONZEPT
ELEKTRIK ERSETZT HYDRAULIK
Synchronmotoren und Getriebe
ersetzen den Hydraulikmotor einer neu
entwickelten Horizontalbohranlage.
Das platzsparende Antriebskonzept
reduziert Geräusch- und
Abgasemissionen.
Horizontalbohranlagen werden für unterirdische
Bohrungen eingesetzt. Die Maschinen
führen waagrechte Bohrungen im Erdreich
aus. Dadurch lassen sich Rohrleitungen unterirdisch
verlegen, ohne dazu einen Graben ausheben
zu müssen. Das Horizontalspülbohrverfahren hat
insbesondere Bedeutung bei der Überwindung von
schwer zugänglichen Gebieten oder Hindernissen,
z. B. Flüssen. Die Bohrungen können bis zu 1 000 m
lang sein. Für die Mehrzahl aller Bohrungen sind
Durchmesser bis max. 700 mm ausreichend. Dabei
bohrt die Horizontalspülbohranlage einen unterirdischen
Kanal und zieht im Rückzug ein oder mehrere
Leerrohre ein. In diese Leerrohre können später z. B.
Leitungen für Strom oder Telekommunikation eingezogen
oder eingeblasen werden.
ANTRIEBE FÜR ROTATION,
VORSCHUB UND SPÜLPUMPE
Zollern lieferte für die neu entwickelte Horizontalbohranlage
mehrere Antriebe für die Funktionen Rotation,
Vorschub und zum Antrieb der Spülpumpe. Der
Rotationsantrieb versetzt den Bohrstrang in Rotation.
Damit wird ein Drehmoment auf das Bohrgestänge
und Bohrkopfwerkzeug erzeugt. Zwei Vorschubantriebe
sorgen dafür, dass die Vorschubgeschwindigkeit an
das Bohrgestänge übertragen wird. Die Vorschubgeschwindigkeit
einer Bohrung variiert entsprechend
der geologischen Beschaffenheit des Untergrundes.
Der dritte Antrieb ist der Spülpumpenantrieb, der an
einer Spülpumpe angeflanscht ist. Mit kontinuierlicher
Zuführung pumpt das Gerät eine Spülflüssigkeit durch
das Bohrgestänge zum Bohrkopf.
Die Kombination aus Getriebe und elektrischem
Antrieb löst die bislang dieselhydraulisch betriebenen
Systeme der Bohranlage ab. Übersetzung und
Drehmoment von Motor und Getriebe sind optimal
aufeinander abgestimmt. Damit entfallen Zwischengehäuse
und Kupplungen, was eine geringere Baulänge
und ein reduziertes Gewicht des Antriebssystems
ermöglicht.
Auch in anderen Bereichen werden hydraulische
Antriebssysteme zunehmend durch Synchronmotoren
ersetzt. Die permanenterregten Motoren sind kompakt
28 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

DIREKTANTRIEBE
gebaut und verfügen über eine höhere Leistungsdichte. Durch die im
Vergleich zu Asynchronmotoren reduzierte Baugröße verringert sich das
Gewicht des Antriebssystems. Im Vergleich zu Hydraulikmotoren ist neben
dem ruckfreien Anlaufen eine hohe Laufruhe über den gesamten Drehzahlbereich
zu verzeichnen. Die Zollern-Synchronmotoren arbeiten effizient
und sind präzise steuerbar. Der reduzierte Wartungsaufwand der Synchronmotoren
geht mit einem geringen Energieverbrauch im Betrieb einher.
BREITES ANWENDUNGSFELD FÜR
SYNCHRONMOTOREN
Ein großes Anwendungsfeld ergibt sich durch die unterschiedlichen
Baugrößen der Zollern-Motoren. Zusammengenommen decken die Modelle
ein breites Drehzahl- und Drehmomentspektrum ab und sind über
verschiedene Baulängen skalierbar. Die kleinste Plattform beginnt bei einer
Nennleistung von 45 kW und reicht bis 210 kW. Spitzendrehzahlen von bis
zu 7 500 min -1 sind in der Feldschwächung erreichbar, wobei über einen
großen Drehzahlbereich oberhalb der Nenndrehzahl mit konstanter
Leistung gefahren werden kann. Die mittlere Baugröße bedient Leistungsanforderungen
bis 730 kW und erreicht, abhängig von Einbaulage, Anwendung
und Baulänge, eine Drehzahl bis 5 500 min -1 . Verschieben sich die
Anforderungen zu noch größeren Drehmomenten, kann auf die Standardbaugröße
zurückgegriffen werden. Eine Leistung von bis zu 850 kW und
Drehzahlen von max. 2 500 min -1 sind hier möglich.
Die einfache Steuer- und Regelbarkeit der Synchronmotoren ermöglicht
die Kopplung mit Monitoring-Systemen. Zollern hat für seine Anlagen ein
System entwickelt, welches das Condition Monitoring mit dem Predictive
Maintenance vereint. Damit lässt sich der aktuelle Zustand der Anlage zu
jeder Zeit und von jedem Ort der Welt aus ablesen. Die Informationen dienen
der Instandhaltung, um drohenden Ausfällen vorzubeugen.
Fotos: Zollern GmbH & Co. KG
DIE IDEE
„Die Idee war, eine klassisch,
dieselhydraulisch angetriebene
mobile Horizontalbohranlage mit
moderner elektrischer Antriebstechnik
auszustatten. Es gelang,
das elektrische Antriebssystem im
begrenzten Bauraum der bislang
hydraulischen Antriebskomponenten
zu installieren. Die optimal auf den
Motor abgestimmte Getriebeübersetzung
ermöglichte uns, das volle
Drehzahlpotential des Synchronmotors
auszuschöpfen. Das
Ergebnis ist eine effiziente, abgasemissionsfreie
Antriebslösung,
die störenden Baulärm vermeidet.“
Dirk Sonntag, Branchenmanager
Baumaschinentechnologie,
Zollern GmbH & Co. KG,
Geschäftsfeld Antriebstechnik
www.zollern.com

SPECIAL: PRÜFSTANDTECHNIK
GETRIEBE AUF DEM PRÜFSTAND
NUR GEPRÜFTES WIRD GELIEFERT
Qualität ist ein wichtiges Kriterium bei der
Komponentenauswahl. Um die Qualität der
eigenen Servo-Planetengetriebemotoren
vor der Auslieferung sicherzustellen, hat Stöber
Antriebstechnik einen weiteren End-of-Line-
Prüfstand speziell für Servo-Planetengetriebe
entwickelt.
Mit einer großen Angebotsvielfalt an Servo-Planetengetriebemotoren
ermöglicht Stöber seinen Kunden, ihre
Anlagen noch kompakter zu bauen und gleichzeitig
die Performance zu steigern. Die Variantenvielfalt
hilft Konstrukteuren, die exakt passende Antriebslösung für jeden
Anwendungsfall zusammenzustellen. „Wir wollen unseren Anwendern
natürlich nur Lösungen bieten, die unserem eigenen Anspruch
an Qualität auch gerecht werden“, sagt Michael Fitzer, Zentrale
Planung Technik bei der Stöber Antriebstechnik. „Wir haben
deshalb wie bei nahezu allen unseren Baureihen nun auch für die
Endmontage einen speziellen Prüfstand entwickelt, der am Ende
der neuen Produktionsstraße aufgebaut ist.“ Damit ist jeder Antrieb,
der das Haus verlässt, geprüft und dokumentiert.
Mit dem Prüfstand werden unterschiedliche Aspekte an den Planetengetriebemotoren
getestet, zum Beispiel die Abtriebsdrehzahl,
die Übersetzung oder den Rundlauf. Die Übersetzung berechnet
der Prüfstand automatisch durch eine konstante Eintriebsdrehzahl,
die mit der Abtriebsdrehzahl verglichen wird. Damit erkennen die
Techniker sofort falsch verbaute Radsätze.
GESAMTREIBWERT ERLAUBT RÜCKSCHLÜSSE
Die Koaxialitätsprüfung etwa kommt insbesondere beim Anbau
von Zahnrädern im Abtrieb zum Einsatz. Dazu wird im Prüfstand
jede Zahnflanke abgetastet und daraus die Koaxialität ermittelt.
„Auf Wunsch können wir dies auch grafisch am Bildschirm darstellen“,
sagt Fitzer. Sollten Abweichungen auftauchen, kann ein Mitarbeiter
mithilfe spezieller Vorrichtungen das Abtriebszahnrad direkt am
Prüfstand justieren und fixieren. Stöber wird so den Anforderungen
der Kunden gerecht und kann Koaxialitäten im geringsten Mikrometerbereich
garantieren.
Eine wichtige Rolle spiele laut Fitzer das Prüfen des Gesamtreibwerts.
Denn dadurch ließen sich Rückschlüsse über die Qualität der
Montagearbeiten ziehen, beispielsweise über die Vorspannkräfte
der Lager. Über eine entsprechende Schallschutzhaube und eine
spezielle Software kann der Mitarbeiter am Prüfstand minimale
Geräusche über einen Kopfhörer lokalisieren. Diese entstehen u. a.
durch kleinste Schäden an der Zahnflanke. Parallel dazu kann er
das Laufgeräusch des Getriebes überprüfen.
MIT KÖPFCHEN ENTWICKELT
„Bei der Entwicklung des Prüfstands, dem wir den Namen EoL 4.XX
gegeben haben, legten wir sehr viel Wert auf eine ergonomische
30 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

ANZEIGE
Bedienung“, beschreibt Fitzer. So können die Kollegen in einer angenehmen
Höhe arbeiten. Das Auf- und Abspannen des Getriebes
oder Getriebemotors erfolgt automatisch. Je nach Bedarf handhabt
ein Mitarbeiter die Teile beispielsweise mit einem Kran, setzt sie so
auf dem Prüfstand ab und entnimmt sie auch wieder. Sowohl das
Öffnen als auch das Schließen der Schallschutzhaube erfolgen
ebenfalls vollautomatisch.
„Wir haben eine spezielle Software entwickelt, mit der wir den
Prüfzyklus bei jedem Getriebe optimieren können“, erläutert Fitzer.
Im Klartext: Das Programm reguliert bei Getrieben mit hoher Übersetzung
die Eintriebsdrehzahl und fährt so auf eine entsprechende
Abtriebsprüfdrehzahl. Dies verkürzt die Durchlaufzeit.
Dazu kommt das Thema Sicherheit, das im Hause Stöber ohnehin
hohe Priorität genießt. „Schon im Vorfeld der Konstruktion und
Auslegung unseres neuen Prüfstands haben wir ausgebildete
Sicherheitsfachkräfte als Berater mit einbezogen“, sagt Fitzer. Resultat:
Der EoL 4.XX ist mit einem Seiteneingreifschutz und frontseitig
mit einem Sicherheitsvorhang ausgestattet. Dieser kann den Prüfprozess
oder auch mögliche Bewegungen der Schallschutzhaube
im Notfall sofort stoppen.
grün- sind sie über- oder unterschritten, rot hinterlegt. „Anhand
dieser Datenbank kontrolliert der EoL 4.XX auch automatisch die
vorher abgeschlossenen Montagearbeiten“, erläutert Fitzer. Der
Bediener sieht zum Beispiel, ob die Dichtheitsprüfung bereits erfolgt
ist oder das Getriebe mit Öl befüllt wurde. „Wir arbeiten seit
Anfang des Jahres beim Kommissionieren der Bauteile und in der
Montage durchgängig digital“, beschreibt Fitzer. „Das heißt: Der
Mitarbeiter sieht an seinem Arbeitsplatz, nachdem die Anlage
den Barcode gescannt hat, auf dem Monitor nur die entsprechende
Arbeitsanweisung. Ist der Auftrag erledigt, meldet der Prüfstand
dies in das SAP-System zurück.“ Stöber setzt auch in der Montageplanung
auf digitale Hilfsmittel – beispielsweise auf einen digitalen
Zwilling des Montageumfelds und der Prüfung mittels des Einsatzes
von Virtual-Reality-Brillen.
KIMO.indd 1 18.04.2017 14:40:18
Fotos: Stöber Antriebstechnik GmbH + Co. KG
www.stoeber.de
DIGITALE HILFSMITTEL
Die neuen Servo-Planetengetriebemotoren sind in unterschiedlichen
Größen verfügbar. Der Prüfstand ist flexibel und eignet sich
für alle Typen der Baureihen bis zu Größe P8 und PH8. „Wir können
alle unsere Servomotoren mit unterschiedlichsten Encodervarianten
antreiben und prüfen“, führt Fitzer aus. „Auch Kupplungsvarianten
spielen keine Rolle.“
Den Prüfprozess kann der Bediener mittels Webcam selbst bei
geschlossener Haube jederzeit überwachen. Die Prüfergebnisse
werden kontinuierlich anhand einer Plausibilitätsüberwachung
kontrolliert. „Der Prüfzyklus startet, indem die Anlage zuerst den
Barcode scannt“, sagt der Stöber-Spezialist. Damit werden alle
Solldaten über eine interne Datenbank geladen und während
sowie nach dem Prüfprozess mit den Istdaten verglichen. Der
Bildschirm zeigt die Ergebnisse an. Stimmt alles, sind die Werte
DIE IDEE
„Stöber will seinen Kunden geprüfte
Qualität liefern. Deshalb haben wir
für die in diesem Jahr neu ausgerollte
Reihe von Planetengetriebe einen
Prüfstand entwickelt. Der testet nicht
nur die Abtriebs- und Eintriebsdrehzahl,
sondern tastet beispielsweise
auch jeden Zahnkranz ab und
ermittelt so die Koaxialität. Bestimmte
Parameter wie der Gesamtreibwert
erlauben sogar Rückschlüsse auf
Komponenten der Fertigung. Der
Prüfstand selbst ist ergonomisch
konzipiert und profitiert stark von
seiner Anbindung an die relevante
Datenbank.“
Stöber hat einen EoL-Prüfstand für die neue Generation der Servo-
Planetengetriebe und -motoren entwickelt
Michael Fitzer, Zentrale Planung
Technik bei der Stöber Antriebstechnik
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 31

SPECIAL: PRÜFSTANDTECHNIK
MOTORENPRÜFSTÄNDE
AUF LEISTUNG GETRIMMT
Um Tests auf Prüfständen immer näher an die
Bedingungen der Wirklichkeit heranzuführen,
sind möglichst realitätsgetreue Testaufbauten
und -umgebungen hilfreich. Aber auch
modellbasierte Testszenarien erlangen immer
mehr Bedeutung. Das führt zu besonderen
Anforderungen für Konstruktion und Einbau der
Belastungsmaschinen. Die müssen einerseits
mehr Dynamik zeigen, andererseits sich in
Modellumgebungen beweisen.
Komplexere Fragestellungen in der Entwicklung von Automobil-Antrieben
führen zu steigenden Anforderungen an
die dabei zum Einsatz kommende Prüf- und Messtechnik.
Diese muss modellbasierte Testszenarien und insgesamt
eine höhere Dynamik seitens der eingesetzten Systeme ermöglichen.
Ein deutscher Erstausrüster hatte sich hier entschieden, bestehende
Motorenprüfstände in dieser Hinsicht zu modernisieren. Dessen
Prüfstände in einem Leistungsbereich von 500 bis 700 kW ermöglichen
Tests an Antrieben mit Ottomotoren sowie Hybrid- und E-Antrieben.
Diese sind einerseits als Prüfstände für Inline- sowie als Prüfstände
für Front-Quer Antriebssysteme konzipiert.
Prof. Dr. Martin Sobczyk, Geschäftsführer Krebs & Aulich GmbH, Wernigerode
und Michael Wastian, Corporate Identity/Design KS Engineers, Kristl,
Seibt & Co Ges.m.b.H, Graz, Österreich
Grundlegende Bedingung war die Übernahme von bestehender Infrastruktur
wie Prüfstandgrundplatten und Palettensysteme für die
Aufnahme der zu testenden Aggregate. Kernelemente wie die Belastungsmaschinen,
Prüfstandunterbauten, Wellenverbindungen,
Leistungselektronik, Sicherheitstechnik und Automatisierungssystem
wurden von KS Engineers aus Graz neu konzipiert und geliefert.
HOCHDYNAMISCHE PM-SYNCHRONMASCHINEN
Als Belastungsmaschinen kommen hochdynamische PM-Synchronmaschinen
der Krebs & Aulich GmbH aus Wernigerode zum Einsatz.
Die zu testenden Antriebe werden in originaler Einbaulage – zum
Beipsiel 2 ° geneigt – am Prüfstand aufgebaut. Dabei entstehende
Winkelversätze in Bezug auf die Belastungsmaschine werden durch
die direkte Verbindung über Gleichlaufgelenkwellen aufgenommen.
Ein Fokus bei der Konzeption des Prüfstandsaufbaus lag auf den
schwingungstechnisch optimierten Maschinenunterbauten. Dabei
wurden die Resonanzfrequenzen außerhalb des nutzbaren Drehzahlbereiches
gelegt bzw. Komponenten niederfrequent entkoppelt.
Für realitätsnahe Versuche werden die originalen Abgasanlagen am
Motor aufgebaut. Die Herausforderung dabei lag insbesondere im
Inline-Prüfstandsaufbau. Um hier den Betrieb von beispielsweise
zweiflutigen Abgasanlagen mit quer angeordnetem Endschalldämpfer
zu ermöglichen, werden diese unter der Belastungsmaschine
kollisionsfrei durchgeführt. Dies wird durch einen speziell
optimierten portalartigen Aufbau des Maschinenrahmens mit hängender
Belastungsmaschine ermöglicht.
Die für den jeweiligen Anwendungsfall maßgefertigten Maschinen
von Krebs & Aulich bilden hinsichtlich Leistung und Drehmoment
(850 kW und bis zu 1 800 Nm) dieser anspruchsvollen Prüfstände
bei minimalen Massenträgheitsmomenten (0,2 kgm²) ab, was eine
hochdynamische Regelung der Lastszenarien im Prüfstand ermöglicht.
Diese hier vergleichsweise hohe Massenträgheit des Rotors ist
dem Rasselbetrieb in der Verbrennersimulation geschuldet. Andere
32 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

SPECIAL: PRÜFSTANDTECHNIK
Maschinen ohne Rasselbetrieb erreichen Massenträgheiten von
0,043 kgm² und ermöglichen so noch dynamischere Simulationen
von Fahrzyklen. Krebs & Aulich hat in den zurückliegenden Jahren
mehrere Baureihen dieser Maschinen mit Drehzahlen bis zu
25 000 m -1 bei Leistungswerten bis zu 500 kW entwickelt, die erfolgreich
in mehreren Prüfständen weltweit im Einsatz sind.
WICHTIGER BESTANDTEIL:
DER FREQUENZUMRICHTER
Für die Regelung der Motorenprüfstände wurde auf das KS-R2R
System gesetzt. Neben den klassischen Regelungsarten liegt der
Fokus auf dem modellbasierten Testen. Hierbei werden nicht vorhandene
Triebstrangkomponenten und das Fahrzeugverhalten
durch mathematische Modelle nachgebildet; d. h. der Prüfstand
bildet die Reaktion des Triebstrangs und des Fahrzeugs inklusive
der Darstellung von Triebstrangschwingungen in Echtzeit ab. Eine
straßenrealistische Belastung ist durch den Einsatz der KS-R2R
Regelung mit hochdynamischen Regelungsfeatures, wie der Trägheitskompen
sation (Kompensation der Massenträgheit der E-Maschine
beim Anlasserstart) und der aktiven Drehschwingungsdämpfung
möglich.
Zentraler Bestandteil dieser Technologie ist der KS-R2R Frequenzumrichter.
Dabei handelt es sich um einen Umrichter, welcher von
KS Engineers für hochdynamische Regelungsaufgaben entwickelt
wurde. Der Systemaufbau des Umrichters stellt sicher, dass die für
die Abbildungsgenauigkeit relevante Regelschleife mit 10 kHz ausgeführt
werden kann.
MODELLBASIERTE TESTSZENARIEN
SPAREN KOSTEN
Die Automatisierung der Prüfstände erfolgt über das leistungsstarke
Echtzeitregelungssystem KS ADAC und die KS Tornado Software
Suite. Neben der Verwaltung von Prüfaufgaben, Erfassung und Visualisierung
von Messdaten bietet KS Tornado auch umfangreiche
Schnittstellen zum Messdaten-, Prüffeld- und Auftragsmanagement.
Modellbasierte Testszenarien ermöglichen signifikante Kostenund
Zeiteinsparungen bei der Entwicklung und Absicherung von Antriebs-
und Assistenzsystemen. Einzelne Entwicklungsaufgaben und
deren Validierung werden in frühe Phasen verlagert, was als Frontloading
bezeichnet wird. Zu diesem Zweck werden Tests auf Systemebene
unabhängig vom physikalischen Aufbau am Prüfstand
mithilfe von Einsatzszenarien, anstatt wie bisher mit synthetischen
Lastprofilen, definiert. Sämtliche Messdaten und Aufbauten sind
fahrzeug- und somit funktionsbezogen. Für die Virtualisierung fehlender
Teilkomponenten am Prüfstand sind echtzeitfähige Modelle
notwendig, die das Verhalten der simulierten Komponenten mit
möglichst geringem Rechenaufwand in ausreichender Genauigkeit
beschreiben. Wird eine physikalische Komponente durch ein entsprechendes
Modell ersetzt, muss das Verhalten des Gesamtsystems
unverändert bleiben. Idealerweise wird das jeweilige Teilmodell bereits
vorab in der Simulation verwendet und anschließend direkt am
Prüfstand eingebunden. Diese Vorgehensweise erlaubt es in weiterer
Folge, Messergebnisse am Prüfstand direkt mit Simulationsergebnissen
zu vergleichen und die verwendeten Teilmodelle sukzessive
weiterzuentwickeln und an das reale Verhalten anzupassen.
Krebs & Aulich bietet hier mit einer gewachsenen Kompetenz in
Auslegung und Berechnung, Konstruktion und Bau ideale Voraussetzungen
für den maßgeschneiderten Aufbau zur Simulation eines
entsprechenden Belastungsverhalten für motorische und angetriebene
Komponenten.
Fotos: Krebs & Aulich, KS Engineers
www.krebsundaulich.de
01
03
01 Belastungsmaschine mit Portalrahmen,
Wellenstrang und Berstschutz
02 Eintriebsmaschine für einen Simulationsprüfstand
für angetriebene Komponenten
03 Schematische Darstellung des Prüfstands
mit Fahrzeug und Prüfrahmen
02
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 33

SPECIAL: PRÜFSTANDTECHNIK
PRÜFSTAND-KUPPLUNGEN
MIT SICHERHEIT IM ROTEN BEREICH
Prüfstände für Highspeed-Anwendungen benötigen besonders zuverlässige
Kupplungen. Sonst drohen Fehlfunktionen, die große Schäden verursachen.
Gerade im Motorsport, wo Drehzahlen-Werte jenseits der 30 000 erreicht
werden, führen massenoptimierte Messflansch- und Sicherheitskupplungen
die Systeme an neue Grenzen.
Motoren werden auch in Prüfständen immer kompakter,
gleichzeitig steigen die Drehzahlen. So auch bei den
Leistungsprüfständen, z. B. für (E-)Motoren, Getriebe
und Pumpen, mit denen sich die ganze Bandbreite an
Beanspruchungen für den Antriebsstrang und seine Komponenten
praxisnah simulieren lässt. „Bei den Industrie-Prüfständen, auch im
Bereich E-Mobilität, liegen die Drehzahlen im Moment bei 25 000
min -1 bis 30 000 min -1 “, erklärt Ralf Epple, Produktmanager bei Mayr
Antriebstechnik. „Allerdings gibt es im Bereich Forschung und Entwicklung,
wo wir mit Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen
zusammenarbeiten, oder auch im Motorsport, Projekte mit
Drehzahlen deutlich über 30 000 min -1 . Die Erfahrungen aus diesen
Projekten nutzen wir, um unseren Standard permanent weiterzuentwickeln.“
So hat das Unternehmen aktuell z. B. massenoptimierte
Messflansch-Kupplungen aus Aluminium oder Titan entwickelt.
GEOMETRISCHE DATEN
DER KUPPLUNG BESTIMMEN
Messflansch-Kupplungen oder Wellenausgleichskupplungen sind
ein entscheidendes Zubehörteil in Prüfständen. Sie minimieren auf
den Messflansch wirkende Störgrößen. Diese Störgrößen oder so-
Ralf Epple ist Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik in Mauerstetten
genannte parasitäre Kräfte entstehen oftmals durch Ausrichtfehler
im Antriebsstrang. So treten in fast allen Anwendungen Versätze
zwischen An- und Abtriebsseite auf. Zusammen mit dem Messflansch
kommen daher Wellenausgleichskupplungen zum Einsatz.
Dafür hat Mayr auf Basis der spielfreien und drehsteifen Roba-DS
Baureihe eine speziell für Messflansche angepasste Ausführung
seiner Ausgleichskupplung entwickelt.
„Die geometrische Grundlage muss stimmen. Es bringt nichts, eine
große Kupplung einfach in Alu oder Titan auszuführen. Denn
ggf. passt eine kompakte Ausführung in Stahl, die steifer ist und
mehr Wechsellasten kann, besser zur Anwendung.“, erläutert Epple.
Daher sollte bei der Auswahl der Kupplung und des Materials immer
die Anwendung ausschlaggebend sein. Hier gilt es zwischen
den Materialeigenschaften z.B. Gewicht, Steifigkeit oder Dauerfestigkeit
und der finalen Kundenanwendung, also den tatsächlichen
Drehzahlen, Lastwechsel, Lastzyklen, Lagerabständen und Bohrungsdurchmessern
abzuwägen. Letztendlich spielt natürlich auch
das Preis-Leistungsverhältnis eine Rolle.
PASSENDE KUPPLUNG FÜR
UNI-MOTORENPRÜFSTAND GESUCHT
Anhand der genannten Abwägungen fand auch das Racing Team
e.V. der TU Darmstadt zur passenden Hochgeschwindigkeitskupplung.
„Für unseren Motorenprüfstand ist ein kompakter Aufbau
wichtig und wir möchten nach Möglichkeit kritische Biegeschwin-
34 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

SPECIAL: PRÜFSTANDTECHNIK
DIE IDEE
„Mayr Antriebstechnik hat einen
neuen Online-Konfigurator entwickelt.
Mit diesem können sich
Anwender jetzt Wellenkupplungen
aus dem Portfolio selbst zusammenstellen,
unkompliziert im Web-Browser.
Damit lassen sich einfache
Standard-Aufgaben schneller und
bequemer lösen als bisher.
Für komplexe Fragen und Beratung
steht das kompetente Team
natürlich weiterhin wie gewohnt zur
Verfügung.“
gungen vermeiden“, sagt Sven Franek,
Alumnus und ehemaliger Vorsitzender des
Uni-Rennstalls. Mit seinem Team konstruiert
und fertigt Franek Rennfahrzeuge für
die Teilnahme an den Wettbewerben der
Formula Student. „Wir haben deshalb nach
einer Kupplung gesucht, die nicht nur die
hohen Drehzahlen kann, sondern selbst
auch kompakt ist und eine geringe Masse
und Massenträgheit hat.“ Die geometrischen
Eigenschaften der Roba-DS Messflansch-Kupplungen
von Mayr konnten die
gesuchten Anforderungen des Motorenprüfstandes
erfüllen. Zudem überzeugte die
Kupplung durch ihre hohe Laufruhe und
Wuchtgüte.
KOLLISIONSSCHUTZ DANK
SICHERHEITSKUPPLUNG
Messflansch und Kupplung, wie auch Antrieb
und Welle leisten in Prüfständen
Die Highspeed-Kupplungen sind speziell auf
die hohen Anforderungen in der Prüfstandtechnik
zugeschnitten. Sie bieten
zuverlässigen Schutz, ohne dabei die
Messsignale zu beeinflussen.
hochpräzise Arbeit. Eine unpräzise Kupplung,
die das Messsystem beeinflusst,
macht die Bewertung im Prüffeld schwierig.
Das Messergebnis wird verfälscht. Hinzu
kommt bei Highspeed-Anwendungen auch
die Sicherheit von Menschen und Maschinen.
Die Sicherheitskupplung muss in der
Lage sein, die Prüflinge und Messeinheiten
vor Schäden durch Überlast effizient zu
schützen. Lösen sie zum richtigen Zeitpunkt
aus, lassen sich Kollisionen verhindern,
die bei hohen Drehzahlen schwere
Schäden verursachen.
„Nur mit der richtigen Kupplung macht
die Absicherung Sinn. Man sollte sich hier
vorher genau überlegen, was eingesetzt
wird. Denn die eine Kupplung für alle Anwendungen
gibt es nicht“, betont Epple.
„Deshalb haben wir bereits im Standard ein
sehr großes Produktspektrum, in das wir
permanent unsere langjährigen Erfahrungen,
auch aus dem Highspeed-Bereich mit
einbringen.“
NEUE BAUREIHEN UND
BAUGRÖSSEN
Dazu gehört auch die neue Standardbaureihe
für die bewährte EAS-compact-F Freischaltkupplung.
Mit bis zu 12 000 min -1 trägt
die Hochgeschwindigkeitskupplung den
stetig steigenden Anforderungen an Drehzahl
und Dynamik Rechnung. Bei der neuen
Baureihe sorgt z.B. eine interne Abdichtung
für eine zuverlässige Schmierung der Funktionsbauteile.
Denn gerade bei den sehr hohen
Drehzahlen ist es wichtig, dass der
Schmierstoff überall dort ist, wo er benötigt
Ralf Epple, Produktmanager bei
Mayr Antriebstechnik, Mauerstetten
wird. Dies gewährleistet ein zuverlässiges
Ausrasten auch unter extremen Bedingungen
und hohen Drehzahlen.
Daneben wurden auch die EAS-HSE
Highspeed-Sicherheitskupplungen um neue
Baugrößen erweitert. „Wir bieten damit
Sicherheitskupplungen für Highspeed-Anwendungen
mit Drehmomenten im Standard
von 30 bis 15 000 Nm und Drehzahlen
von 25 000 min -1 für die kleinen und
8 000 min -1 für die großen Baugrößen an“,
ergänzt Epple. Übersteigt in einem Prüfstand
das Drehmoment den an der Sicherheitskupplung
eingestellten Grenzwert, rastet
die Kupplung aus und trennt An- und
Abtrieb innerhalb von Sekundenbruchteilen.
Nach einem Überlastfall muss somit
schlimmstenfalls die Messwelle neu kalibriert
werden. Einen teuren Schaden an Antriebstrang
oder Prüfling hingegen verhindert
die Sicherheitskupplung zuverlässig.
Fotos: Mayr Antriebstechnik und Formula Student
Germany /Johannes Zenker
www.mayr.de
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 35

KOMPONENTEN UND SOFTWARE
SAFE-MOTION
„KEINE FALSCHE BEWEGUNG!”
Die Bewegungsüberwachung von Maschinen
und Anlagen etabliert sich zunehmend in der
Sicherheits- und Automatisierungstechnik. Die
Auswahl reicht von Schaltgeräten zur Stillstandsund
Drehzahlüberwachung bis zu kompletten
Sicherheitssteuerungen und sicheren Antrieben.
Mit Safe-Motion-Funktionalitäten lässt sich sowohl die
Verfügbarkeit als auch Effizienz von Maschinen und
Anlagen steigern. So ist es häufig sinnvoller, den Antrieb
bei geöffneter Schutztür zu bewegen, damit Einricht-
und Wartungsarbeiten durchgeführt werden können. Um
den Anwender zu schützen, übernimmt die Sicherheitstechnik die
Überwachung der gefahrbringenden Bewegung. Die Produktivität
lässt sich möglicherweise erhöhen, wenn das Freigabesignal beim
Erkennen des tatsächlichen Stillstands an eine elektromechanische
Zuhaltung ausgegeben wird. Gegenüber einer zeitgesteuerten Freigabe
hat der Mitarbeiter auf diese Weise einen schnelleren und
gleichzeitig sicheren Zugang zur Maschine.
Systeme zur sicheren Bewegungsüberwachung finden ebenfalls
dort Anwendung, wo große Anlagen vor mechanischen Schäden
durch überhöhte Geschwindigkeit abgesichert werden müssen.
Durch Nutzung der Safe-Motion-Funktionen wird so die Rotordrehzahl
bei Windenergieanlagen oder die Bewegung der Tragwerke
bei beweglichen Brücken überwacht.
SICHERHEITSFUNKTIONEN GEMÄSS EN 61800-5-2
Die Norm EN 61800-5-2 beschreibt die Anforderungen an die funktionale
Sicherheit für Leistungsantriebe mit einstellbarer Drehzahl,
auch Power Drive Systems Safety Related PDS(SR) genannt. Hierzu
sind standardisierte Teilsicherheitsfunktionen als Basis für die weitere
Validierung definiert worden. Zu den wichtigsten Funktionen
zählen z. B. das Abschalten des Antriebs durch unmittelbare Energietrennung
(Safe Torque Off); oder das Stillsetzen des Antriebs bei
Überschreitung einer maximal zulässigen Geschwindigkeit (Safety-
Limited Speed). Auch kann vermieden werden, dass sich die Antriebswelle
in die nicht vorgesehene Richtung bewegt. Diese Safe-
Direction-Funktion wird zur Verhinderung der Richtungsumkehr
an kraftbetriebenen Walzen eingesetzt.
BEWEGUNG MITHILFE DES DREHGEBERS
ÜBERWACHEN
Für die Aufnahme der Bewegung eines Antriebselements werden
oftmals Näherungsschalter oder Drehgeber (Encoder) verwendet.
Hat sich der Anwender zur Nutzung von Näherungsschaltern entschieden,
sind für die Umsetzung einer redundanten Architektur
zwei Sensoren an einem Zahnrad oder einer Lochscheibe anzubringen.
Die durch die Bewegungsimpulse in Abhängigkeit von der
Zeit entstehende Frequenz wird in der Logik des Safe-Motion-
Moduls ausgewertet. Als Vergleichswert gegen die parametrierten
Schaltschwellen zur Über- oder Unterdrehzahlüberwachung lässt
sich die gemessene Frequenz heranziehen.
Die Bewegungsüberwachung durch einen am Antriebsstrang
installierten Encoder funktioniert ähnlich. Drehgeber gibt es in
unterschiedlichen Ausprägungen. Häufig aber kommen Singleturn-
Encoder mit HTL-, TTL- oder Sinus-/Cosinus-Schnittstelle zur
Anwendung. Durch die Analyse der Signalperioden kann das
Dipl.-Ing. (FH) Carsten Gregorius, Senior Specialist Safety und Udo Tappe,
Product Manager, sind im Geschäftsbereich Automation Infrastructure bei der
Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont tätig
36 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

KOMPONENTEN UND SOFTWARE
Safe-Motion-Modul, neben den Sicherheitsfunktionen
für die Geschwindigkeitsüberwachung,
so ebenfalls die Bewegungsrichtung
sicher auswerten. Im Vergleich
mit Näherungsschaltern lassen sich die
Signale der Encoder jedoch noch genauer
diagnostizieren. Von einem Kreuzvergleich
abgesehen wird bei Sinus-/Cosinus-Sig nalen
auch die 2,5-V-Offsetspannung, das 1-Vpp-
Differenzsignal oder der resultierende Einheitskreis
analysiert. Diese Diagnosen sind
erforderlich für die Auswertung von Safety-
Encodern. Sie entsprechen signalseitig dem
gleichen Prinzip wie Standard-Encodern.
SIGNALE IM ENCODER
Der typische Aufbau eines Encoders zeigt,
dass sich einige Funktionsteile einkanalig
und andere Teile zweikanalig ausführen
lassen. Mechanische Fehler an der Welle,
Lagerung und Codescheibe können sich
gleichzeitig auf zweikanalige Strukturen innerhalb
des Encoders auswirken. Wenn
sich z. B. die Geberwelle von der Motorscheibe
löst, wird dieser Fehler aufgrund
zusätzlicher Maßnahmen erkannt, da die
Ausgangssignale des Gebers weiterhin im
zulässigen Bereich liegen. Bauteilfehler in
der internen Elek tronik müssen ebenfalls
beherrschbar sein. Sie verursachen Verfälschungen
der Ausgangssignale (siehe
EN 61800-5-2).
Je nach Art der verwendeten Sensortechnologie
lassen sich abhängig von den strukturellen
Eigenschaften verschiedene Sicherheitsniveaus
erreichen. Voraussetzung ist
eine entsprechende Auswerteeinheit, welche
die notwendigen Plausibilitätsprüfungen
durchführt. Passend zur Anforderung kann
anhand den typischen Encoder-Architekturen
eine bestimmte Kombina tion von SIL
und PL ausgewählt werden.
ANWENDUNGSBEZOGENE
SICHERHEITSKONZEPTE
Stand-Alone-Sicherheitsmodule sind universell
nutzbar, antriebsunabhängig sowie
einfach in der Parametrierung und Handhabung.
Die Stand-Alone-Module der Baureihe
PSRmotion von Phoenix Contact sind
ab einer Baubreite von 12,5 mm verfügbar.
Auf diese Weise lassen sich auch Retrofit-
Maßnahmen realisieren. Mit dem zweikanaligen
Drehzahl- und Stillstandswächter
PSR-MM30 aus der PSRmotion-Familie
können neben dem Stillstand bis zu drei
unterschiedliche Betriebsarten einer Maschine
überwacht werden.
Das modulare Sicherheitssystem der Produktfamilie
PSRmodular erlaubt die Umsetzung
von Applikationen bis PL e (EN ISO
13849) sowie SIL 3 (IEC 61508 respektive
EN 62061). Aufgrund des Tragschienenbusverbinders
TBUS kann der Anwender das
System flexibel an seine jeweiligen Anforderungen
anpassen und erweitern. Somit
ist die Lösung sowohl für Kleinstanwendungen
mit drei Sicherheitsfunktionen bis
hin zu Applikationen mit 160 sicheren I/Os
in einer Station einsetzbar.
Fotos: Phoenix Contact GmbH & Co. KG
www.phoenixcontact.de
DIE IDEE
„Die Produktfamilien PSRmodular
und PSRmini sind Bestandteil von
Complete line. Dabei handelt es
sich um ein System aus technologisch
führenden, aufeinander
abgestimmten Hard- und Softwareprodukten,
Dienstleistungen
und Systemlösungen für die
Optimierung der Prozesse im
Schaltschrankbau. Zum Complete
line-Portfolio gehören neben der
funktionalen Sicherheitstechnik
auch Steuerungen und I/O-Systeme,
Stromversorgungen und Geräteschutzschalter,
Reihenklemmen
und Verteilerblöcke, Relaismodule
und Motorstarter, Trennverstärker,
Überspannungsschutz sowie
schwere Steckverbinder.“
Dipl.-Ing. (FH) Carsten Gregorius,
Senior Specialist Safety, und
Udo Tappe, Product Manager
Safety; beide im Geschäftsbereich
Automation Infrastructure tätig,
Phoenix Contact Electronics GmbH
komplett
zuverlässig
ökonomisch
Verschlussschrauben, Entlüftungsventile und Ölschaugläser – EIN Abdichtungssystem
für alle Einschraub- und konstruktionsbedingten Bohrungen im Getriebegehäuse.
Komplett montiert und einsatzbereit.
HN | DREHTEILE
Unser Paket für die
Antriebstechnik
It’s our turn.
heinrichs.de

DICHTUNGEN
LAGER UND DICHTRINGE
KUNSTSTOFF FÜR HOHE
BEANSPRUCHUNG
Die Anforderungen an
Reib- und Verschleißteile
steigen kontinuierlich an.
Kunststofflösungen haben
hier traditionell keine starke
Lobby. Aber diese Ansicht
ist nicht mehr zeitgemäß.
Häufig sind Kunststoffe
die geeignetste Option bei
Lagern und Dichtringen,
auch im Falle von starken
und stärksten Belastungen.
Druck- und Anlaufscheiben, Axiallager, Dichtringe und andere
anwendungsspezifische Reib- und Verschleißteile in
Getrieben bestehen heute schon oft aus Hochleistungskunststoffen,
sie sind Stand der Technik. Dennoch berücksichtigen
Entwickler von z. B. neuen Getrieben mit Drehzahlen von
14 000/min und mehr oder Antriebselementen für (H)EVs solche
Kunststoffe häufig nicht. Als Konsequenz werden dann Bauteile aus
Metall wie Nadel- oder Kugellager standardmäßig eingesetzt. Auf
diese Weise bleiben bessere Möglichkeiten oft ungenutzt.
GRUNDLAGEN
Reib- oder auch Gleitlagersysteme sind gekennzeichnet durch die
Art der Oberflächen der sich berührenden Teile, den Anpressdruck,
die Gleitgeschwindigkeit, die Temperatur und die Schmierung. Der
wichtigste Parameter des Systems ist der Reibungskoeffizient µ, der
das Verhältnis zwischen der zum Bewegen des Teils erforderlichen
Reibkraft und der senkrecht zur Oberfläche ausgeübten Kraft bezeichnet.
Je kleiner µ, desto geringer ist der Reibungsverlust, der
durch die Komponente während des Betriebs verursacht wird. Der
Gesamtverlust eines Getriebes aufgrund von Reibung kann beträchtlich
sein, bei Verbrennungsmotoren bis zu mehreren Kilowatt.
Normalerweise wird µ als Funktion der beiden Schlüsselparameter
Geschwindigkeit (V) und Druck (p) des Systems dargestellt,
kombiniert als V/p. Es existieren drei verschiedene Reib- oder
auch Schmierzustände: Grenz-, gemischte und hydrodynamische
Schmierung. Um die Reibung und damit die Energieverluste des
Systems zu optimieren, sollen die Bedingungen im Auslegungsfall
nahe am Minimum von µ liegen, welches sich in der Übergangszone
von gemischter zu hydrodynamischer Schmierung befindet.
Dr.-Ing. Jens Höltje, Geschäftsführer High3P GmbH, Aachen
WAS ENTWICKLER BEACHTEN SOLLTEN
Beim Entwurf von Reib- bzw. Gleitbauteilen eines Getriebes oder
Antriebsstrangs müssen viele Anforderungen berücksichtigt werden.
Zunächst ist für die Optimierung der Energieverluste ein Werkstoff
mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten bei den vorherrschenden
Betriebsbedingungen auszuwählen. Gleichzeitig müssen
die Gegebenheiten während des Anfahrens und – noch wichtiger –
die maximale Belastung berücksichtigt werden. Hervorragende
Reibeigenschaften allein reichen jedoch nicht aus. Im gleichen
Maß soll das Material einen geringen Verschleiß aufweisen, idealerweise
so, dass das Bauteil während der vorgesehenen Lebensdauer
nicht ausgetauscht werden muss.
Ebenso spielt beim Design die Integration von weiteren Funktionen
in die Komponente eine wichtige Rolle. Eine derartige Konsolidierung
führt zu weniger Teilen, einer einfacheren Montage und
damit geringeren Gesamtkosten.
Andere relevante Parameter sind der verfügbare Platz, die Trägheit
des Systems, NVH (Noise, Vibration, Harshness), Art und
Durchfluss des Schmiermittels und natürlich die Kosten.
VERGLEICH ZWISCHEN KUNSTSTOFF- UND
METALLBASIERTEN KOMPONENTEN
Metallische Bauteile werden häufig ausgewählt, weil sie angeblich
die besten Reibeigenschaften aufweisen. Neueste Entwicklungen
von reib- und verschleißoptimierten Polymeren haben jedoch
gezeigt, dass sich mit diesen vergleichbare oder sogar bessere Werte
erzielen lassen.
Darüber hinaus bieten Kunststoffe verschiedene weitere Vorteile:
n Bauraum: Eine typische Druckscheibe benötigt 1,5 bis 2 mm
Platz, während für ein Nadellager normalerweise mindestens
4 mm erforderlich sind.
38 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

DICHTUNGEN
UNTERSTÜTZUNG VOM LIEFERANTEN
Bei der Entwicklung von Reib- und Verschlussteilen wird früh
Simulations-Software eingesetzt – hier FEA (Finite Elemente Analyse) –
Simulation eines Druckrings mit Rotationsverriegelung
n NVH-Eigenschaften: Geräusche und Vibrationen sind bei den
gegenüber Nadel- oder Kugellagern deutlich weniger komplexen
Bauteilen aus Kunststoffen signifikant geringer, auch weil sie bessere
Dämpfungseigenschaften besitzen.
n Montage: Bei Verwendung bestimmter Polymere können Komponenten
so gestaltet werden, dass sie sich flexibel öffnen und
seitlich über die Welle schieben lassen. Auch ein möglicher Austausch
ist dann viel einfacher.
n Gestaltungsfreiheit: Bei Bedarf können die Abmessungen einer
vorhandenen Komponente problemlos verändert werden. Kon -
s trukteure sind somit nicht auf Standardgrößen beschränkt wie
sie bei metallischen Lagern vorherrschen.
n Kosten: Kunststoffkomponenten sind tendenziell kostengünstiger
als solche aus Metall. Typische Unterschiede liegen bei 25 %
oder mehr. Dies gilt insbesondere für hohe Drehzahlen, bei
denen Metalllager enge Toleranzen aufweisen müssen.
Bauteile aus Polymeren sind allerdings nicht grundsätzlich und in
allen Fällen die beste Wahl. Sofern Anwendungen verschiedene
Belastungszustände über einen größeren Bereich umfassen, kann
der dann relevantere durchschnittliche µ-Wert bei Metallkomponenten
niedriger sein.
AM HÄUFIGSTEN VERWENDETE KUNSTSTOFFE
Bei Anwendungen mit hohen V/p-Kennzahlen, erhöhten Temperaturen
und/oder extremen Betriebsbedingungen werden üblicherweise
Polyetheretherketon (PEEK), Polyamidimid (PAI) oder Polyimid
(PI) als Basismaterial gewählt.
n PEEK weist ein hervorragendes Eigenschaftsprofil auf und kommt
in vielen Industrien zum Einsatz. Allerdings muss es jedoch häufig
in Reib- und Verschleißanwendungen mit Glas- oder Kohlefasern
verstärkt werden. Derartige Fasern können zu Beschädigungen,
erhöhtem Verschleiß beim Einfahren sowie allgemein höheren
Reibwerten und Betriebstemperaturen führen.
n PAI kann bei gleicher oder besserer Leistung bei höheren Temperaturen
als PEEK eingesetzt werden. Zudem sind die Oberflächen
glatt und Bauteile vergleichsweise biegsam, da keine Faserverstärkung
erforderlich ist. Obwohl die Verwendung dieses Polymers
weniger verbreitet ist, liegen die Preise entsprechender Komponenten
oft niedriger.
n Die besten Eigenschaften in Bezug auf Reibung und Verschleiß
besitzt PI. Aufgrund seines hohen Preises und von Einschränkungen
im Herstellungsprozess wird es jedoch nur bei sehr speziellen
Anforderungen eingesetzt. Mit einem geeigneten Bauteildesign
können auch PEEK oder – häufiger – PAI erfolgreich sein.
Die beschriebenen Systeme und Bauteile sind komplex. Oftmals ist
es deshalb ratsam, Spezialisten zu konsultieren, die bei der Entwicklung
eines neuen Teils helfen können. Mit ihrem Wissen und
ihrer Erfahrung decken die Hersteller derartiger Komponenten die
genannten Aspekte in aller Regel am besten ab. Für Kunststofflösungen
können sie hinsichtlich Polymerart und -type sowie Teiledesign
beraten. Gleichzeitig muss die industrielle Herstellung
berücksichtigt werden, auch um den Kosten Rechnung zu tragen.
Virtuelle Simulationen der mechanischen Eigenschaften und der
Produktion sowie realitätsnahe Tests unterstützen den iterativen
Entwicklungsprozess.
Ein hochqualifizierter und erfahrener Hersteller solcher Teile
ist Allegheny Performance Plastics mit Sitz in den USA. Als ein
führender Anbieter von Reib- und Verschleißteilen produziert das
Unternehmen hauptsächlich für deutsche Tier1-Automobilzulieferer.
Kürzlich konnte Allegheny die 100-millionste Druckscheibe
feiern. Die High3P GmbH wurde von langjährigen Experten
für Kunststoffe und deren Verarbeitung gegründet; sie vertritt
Allegheny in Europa.
Fotos: Allegheny Performance Plastics
www.high3p.de
DIE IDEE
„Die Entwicklung optimierter Reibbzw.
Verschleißteile aus Polymeren
ist komplex. Sie erfordert Materialauswahl,
Teiledesign, Simulation,
Herstellung und Prüfung – häufig in
mehreren Iterationen. Ein starker
Partner für all diese Schritte ist
Allegheny Performance Plastics, das
seinen Kunden seit mehr als
80 Jahren fundiertes Wissen und
umfassende Erfahrung anbietet.
Dank eines optimierten Herstellungskonzeptes
produziert das Unternehmen
die entsprechenden Teile kostengünstig
sowohl in großen als auch in
kleinen Serien.“
Dr.-Ing. Jens Höltje, Geschäftsführer
High3P GmbH
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 39

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
PEER REVIEWED
TRAGFÄHIGERE WELLE-NABE-
VERBINDUNGEN DURCH H-PROFILE – TEIL 2
Welle
Welle-Nabe-Verbindung
Genormte formschlüssige Welle-Nabe-
Verbindungen geraten in vielen Anwendungen
zunehmend an die Grenzen ihrer Tragfähigkeit.
Als Alternative bietet sich das H-Profil an. Neben
seiner höheren Tragfähigkeit ist es geometrisch
variabel und profitabel in der Herstellbarkeit.
In einem DFG-Forschungsprojekt hat die
Westsächsischen Hochschule Zwickau
gemeinsam mit der TU Chemnitz die
Tragfähigkeit von H-Profil-Wellen untersucht.
Im zweiten von zwei Teilen gewinnt das Team
Informationen aus der Beobachtung der
Torsionsspannung sowie der Kerbwirkungszahlen.
RECHNERISCHER ANSATZ ZUR ERMITTLUNG
DER FORMZAHLEN
Zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften der H-Profile
sind bislang numerische Berechnungen unabdingbar. Dies stellt im
Hinblick auf die praktische Anwendung der H-Profile ein großes
Hindernis dar. Zur Berechnung der Formzahl bei reiner Torsionsbelastung
ohne den aufwändigen Einsatz der FEM, wurde im Rahmen
des DFG-Forschungsprojektes auf Basis der Simulationsergebnisse
ein rechnerischer Ansatz hergeleitet:
Die Gleichung basiert auf den Formzahlen bei gleichem Flächeninhalt
A der Stirnschnitte der Wellen (Bild 7, Methode a) [Ausgabe
11/20]), sodass allen Werten die gleiche Nennspannung zu Grunde
liegt. In Bild 9 werden die mittels der FEM und nach Gleichung (9)
berechneten Formzahlen verglichen. Die prozentuale Abweichung
der ermittelten Formzahlen beträgt maximal 1% und ist somit sehr
gering. Zudem sind die rechnerisch ermittelten Formzahlen immer
größer als die numerisch ermittelten Werte und liegen damit auf
der sicheren Seite. Die rechnerisch ermittelten Formzahlen können
in weiteren Schritten zur Auslegung hypotrochoidischer Welle-Nabe-Verbindungen
verwendet werden und in ein allgemeingültiges
Auslegungskonzept für diese Verbindungen einfließen.
VERGLEICH NUMERISCH ERMITTELTER TORSI-
ONSSPANNUNGEN MIT VERSUCHSERGEBNISSEN
Im Rahmen des DFG-Forschungsprojektes wurden an der Technischen
Universität Chemnitz in Bauteilversuchen unter anderem
Torsions-Messungen mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) exemplarisch
für H3 Profilwellen durchgeführt. Hierbei wurden die DMS
im Bereich der freien Welle jeweils sowohl im Flankenbereich (am
Pferchkreis) als auch im Profilnasenbereich (am Hüllkreis) des Profils
appliziert. Dabei wurde darauf geachtet, dass der Abstand zur Nabe
so groß gewählt wurde, dass nach dem Prinzip von SAINT-VENANT
eine Beeinflussung der Ergebnisse durch die Überlagerung von
Kerbwirkungseffekten der Nabenkante und des Profils ausgeschlossen
werden kann. Neben Verbindungen mit idealisierter Übergangspassung
(„Nullspiel“) wurden ebenfalls WNV mit einem
leichten Presssitz und einem relativen Übermaß von ζ=0,5‰ experimentell
untersucht. Da die Verbindungen durch thermisches
Fügen hergestellt wurden, konnten die DMS erst nach dem Fügevorgang
installiert werden. Verformungen infolge des Übermaßes
(Presspassung) konnten somit nicht erfasst werden.
Die Wahl des Applikationsabstands zur Nabenkante wurde auf
numerischer Basis mittels FEM durch einen Vergleich der Beanspruchungsgrößen
einer reinen H-Profilwelle sowie des freien Wel-
40 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

PEER REVIEWED
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
lenbereiches einer geometrisch identischen H-Profil-Verbindung
verifiziert. Zusätzlich wurde eine Konvergenzbetrachtung durchgeführt.
Verglichen wurden dabei die Torsionsspannungen τ t
auf der
Mantelfläche der Welle. Dazu wurden die im Versuch gemessenen
Dehnungen für die jeweiligen Laststufen umgerechnet. Die Torsionsspannungen
auf der Mantelfläche der freien Welle wurden hierbei
ebenfalls nach Gleichung (6) berechnet.
Für die untersuchten H3-Profilverbindungen (ε = 0,07) mit unterschiedlichen
Passungen und relativen Fügelängen (l/d a
=0,5…1,0)
besteht eine sehr gute Übereinstimmung der numerisch und experimentell
ermittelten Torsionsspannungen (s. Bild 10). Die relativen
Abweichungen zwischen den numerischen und experimentell
ermittelten Ergebnissen variierten je nach Versuch und Belastungsniveau
und lagen durchschnittlich bei 2,2-6,7 %. Bei den Versuchen
zeigte sich zudem eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse.
Somit lässt sich die Torsionsspannung von H-Profilwellen
mit 3 Mitnehmern auch im freien Wellenbereich einer WNV unter
Berücksichtigung eines Mindestabstands ermitteln.
ERMITTLUNG DER KERBWIRKUNGSZAHLEN
(DYNAMISCHE BELASTUNG)
Bei einer dynamischen Belastung der Verbindung ist die Kerbwirkungszahl
für die Dauerfestigkeit der Welle entscheidend. In diesem
Kapitel werden die für H-Profil-Wellen numerisch ermittelten
Kerbwirkungszahlen vorgestellt. Die Kerbwirkungszahlen von H-
Profil Welle-Nabe-Verbindungen sind Gegenstand einer noch folgenden
Veröffentlichung.
Zur Ermittlung der Kerbwirkungszahlen bei reiner Torsionsbelastung
ist neben der Formzahl α t
die Stützzahl n t
erforderlich. Die
Stützzahl erfasst insbesondere Stützwirkungseffekte infolge des Abklingverhaltens
der Spannungen in oberflächennahen Bereichen
der Welle in radialer Richtung und des Werkstoffverhaltens. Die
Kerbwirkungszahl bei Torsionsbelastung wird allgemein als Quotient
der Formzahl und der Stützzahl definiert:
basierend auf Versuchsergebnissen mit 400 N/mm 2 angenommen,
der Halbzeugdurchmesser beträgt 70 mm.
KERBWIRKUNGSZAHL NACH FKM-RICHTLINIE
(MIT ÖRTLICHEN SPANNUNGEN)
Neben dem Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Nennspannungen
bietet die FKM-Richtlinie [12] dem Anwender auch einen Festigkeitsnachweis
mit örtlichen Spannungen an. Dieser wird insbesondere
dann empfohlen, wenn die Spannungskennwerte, wie im vorliegenden
Fall, mittels numerischer Simulationen ermittelt wurden. In Anlehnung
an die FKM-Richtlinie wurden für die H-Profil-Wellen Kerbwirkungszahlen
β t
unter Verwendung örtlicher Spannungen ermittelt.
Die Berechnung erfolgt nach Gleichung (10) mit den auf numerischer
Basis ermittelten Formzahlen nach Methode a), Bild 7 (Ausg.
11/20). Die FEM-Ergebnisse beinhalten hierbei sowohl die
Stützwirkungs effekte infolge der lokalen Kerbgeometrie, wie auch
die Stützwirkung infolge der Belastungsart. Das bezogene Spannungsgefälle
G‘ im Betrachtungspunkt wird analog zur im vorherigen
Abschnitt beschriebenen Vorgehensweise ermittelt. Zur Ermittlung
der Stützzahl n t
ist eine Fallunterscheidung erforderlich. Je nach be-
09 Gegenüberstellung der Formzahlen α t
der H-Profile mit n = 3, 4,
5, 7, 9 in Abhängigkeit der bezogenen Exzentrizität ε bei konstantem
Flächeninhalt des Stirnschnitts der Welle; Vergleich numerisch
ermittelter Werte (FEM) mit nach Gl. (9) ermittelten Werten
KERBWIRKUNGSZAHL NACH DIN 743
Nach DIN 743 [11] wird die Stützzahl n τ
bei reiner Torsionsbelastung
nach der Methode von SIEBEL und STIELER unter Anwendung
von Gleichung (11) ermittelt:
Zur Berechnung der Stützzahl ist nach Gl. (11) das bezogene Spannungsgefälle
G‘ in radialer Richtung erforderlich. Es ist der auf die
maximale Torsionsspannung bezogene Gradient dτ t
/dr der Torsionsspannung
im Ort ihres Auftretens auf der Wellenoberfläche. In
Hinblick auf die numerische Ermittlung des Spannungsgefälles ist
bei der FE-Modellierung darauf zu achten, dass in radialer Richtung
eine ausreichende Anzahl an Stützstellen (Knoten) zur Erfassung
der Spannungen zur Verfügung steht. Im Rahmen der durchgeführten
Berechnungen wurden insgesamt fünf Knoten mit einem
radialen Abstand von 0,3 mm für einen charakteristischen Radius
von ca. 20 mm ausgewählt. Bild 11 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt
aus dem vernetzten FE-Modell eines H7-Profils mit dem
Auswertepfad in radialer Richtung.
Der Werkstoffeinfluss auf die Stützzahl wird durch die Streckgrenze
σ S
unter Einbeziehung des technologischen Größeneinflussfaktors
nach den Maßgaben von [11] berücksichtigt. Den Berechnungen
liegt der Werkstoff C45 zugrunde. Die Streckgrenze wurde
10 Vergleich des Verlaufes der Torsionsspannung τ t
in Abhängigkeit
des Drehmomentes M t
für das H3-Profil (ε = 0,07) im Wellenauslauf;
Welle 42CrMo4+QT, Nabe C45E+N
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 41

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
PEER REVIEWED
11 Auswertepfad zur Ermittlung des bezogenen Spannungsgefälles
G‘ in radialer Richtung
12 Kerbwirkungszahlen β t
der H-Profile mit n = 3, 4, 5, 7, 9 nach
DIN 743 und FKM-Richtlinie (mit örtlichen Spannungen) in
Abhängigkeit der bezogenen Exzentrizität ε
rechnetem Spannungsgefälle wird eine der Gleichungen aus Tabelle 1
angewendet, die auf dem STIELER’schen Stützwirkungskonzept basieren.
Die Berechnungen erfolgen für den Werkstoff C45 mit einem
Halbzeugdurchmesser von 70 mm. Auch bei der Berechnung der
Stützzahl nach der FKM-Richtlinie werden werkstoffbedingte
Stützwirkungseffekte unter anderem durch Verwendung der Zugfestigkeit
des Werkstoffs und des Schubwechselfestigkeitsfaktors berücksichtigt.
Weiterführende Hinweise finden sich in [12].
In Bild 12 werden die numerisch ermittelten Kerbwirkungszahlen
für die H-Profil Wellen mit 3,4,5,7 und 9 Mitnehmern nach DIN 743
und der FKM-Richtlinie (mit örtlichen Spannungen) für die Formzahlen
α t
auf Basis des gleichen Flächeninhaltes des Stirnschnittes
der Welle dargestellt. Die nach der FKM-Richtlinie berechneten Werte
sind etwas kleiner als die Kerbwirkungszahlen nach DIN 743. Die
Ergebnisse bestätigen die bereits in [9] gemachten Beobachtungen.
Bei Anwendung der Kerbwirkungszahlen nach DIN 743 liegt die Auslegung
stets auf der sicheren Seite. In [10] wird für das Evolventenzahnprofil
nach DIN 5480 – 45x5x7 auf Basis numerischer Berechnungen
eine Kerbwirkungszahl (nach DIN 743) bei reiner Torsionsbelastung
von β t
= 2,2 ermittelt. Die Kerbwirkungszahlen der H-Profile
liegen unabhängig von der Berechnungsgrundlage deutlich unter
diesem Wert. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen die geometriebedingten
Vorteile der hypotrochoidischen Profile sehr gut.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem gemeinsamen DFG-Forschungsvorhaben werden an der
Westsächsischen Hochschule Zwickau und der Technischen Universität
Chemnitz die statische und dynamische Tragfähigkeit
formschlüssiger Welle-Nabe-Verbindungen auf Basis der Hypotrochoiden
(H-Profile) unter verschiedenen Belastungsarten untersucht.
Die H-Profile vereinen gute Fertigungseigenschaften mit mechanischen
Vorteilen in Form kleiner Kerbwirkungszahlen. Mittels
einer Näherungsgleichung kann der maximale Anlagewinkel γ max
zur Beurteilung der fertigungstechnischen Umsetzbarkeit und als
Indikator für den Formschlussgrad der Profile ermittelt werden. In
umfangreichen numerischen Untersuchungen mittels der FEM
wurden für eine Vielzahl unterschiedlicher H-Profile bei variierender
bezogener Exzentrizität ε und Mitnehmeranzahl n die Spannungszustände
ermittelt. Ausgehend von den numerisch gewonnenen
Torsionsspannungen wurden für H-Profil-Wellen Formzahlen
α t
bei reiner Torsionsbelastung berechnet. Diese basieren auf zwei
unterschiedlichen Methoden zur Nennspannungsermittlung, wobei
entweder der Flächeninhalt A oder das Torsionsträgheitsmoment
I t
der Profile konstant gehalten wird. Die Formzahlen der H-
Profile sind jeweils deutlich kleiner als die bei methodisch gleicher
Vorgehensweise für die Evolventenzahnprofile nach DIN 5480 ermittelten
Werte und machen das Potential der H-Profile deutlich.
Durch eine auf empirischer Basis entwickelte Gleichung können
die Formzahlen zudem ohne den aufwändigen Einsatz numerischer
Verfahren berechnet werden.
An der Technischen Universität Chemnitz wurde im Rahmen des
DFG-Forschungsprojektes [3] eine große Anzahl an Bauteilversuchen
durchgeführt. Die in den Versuchen ermittelten Torsionsspannungen
der H-Profile mit drei Mitnehmern zeigen eine sehr
gute Übereinstimmung mit den numerisch ermittelten Werten.
Zur Charakterisierung des Tragverhaltens bei dynamischer Torsionsbelastung
wurden für die H-Profil-Wellen Kerbwirkungszahlen
nach DIN 743 und der FKM-Richtlinie (mit örtlichen Spannungen)
ermittelt. Auch die Kerbwirkungszahlen der H-Profile sind im Vergleich
zu etablierten formschlüssigen WNV, wie dem Evolventenzahnprofil
nach DIN 5480, deutlich kleiner und lassen auf eine höhere
dynamische Tragfähigkeit der H-Profile schließen.
Die bislang gewonnenen Erkenntnisse werden im weiteren Verlauf
des DFG-Forschungsprojektes in ein allgemeingültiges Auslegungskonzept
für hypotrochoidische Welle-Nabe-Verbindungen einfließen
und einem breiten Nutzerkreis die praktische Auslegung derartiger
Verbindungen ermöglichen.
Das Tragverhalten von H-Profil-Welle-Nabe-Verbindungen wurde
im Rahmen des DFG-Forschungsvorhabens ebenfalls umfassend
numerisch und experimentell untersucht und wird in einer
weiteren Veröffentlichung thematisiert.
Tabelle 1
42 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

PEER REVIEWED
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
GEWIDMET HERRN PROF. DR.-ING. ERHARD LEIDICH
ZUM 70. GEBURTSTAG
Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich ist ehemaliger Direktor des Instituts für Konstruktionsund
Antriebstechnik an der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität
Chemnitz. Er ist Initiator vieler Entwicklungen im Bereich der Welle-Nabe-Verbindungen
und hat diesem Gebiet durch seine wissenschaftliche Arbeit zahlreiche
wertvolle Impulse gegeben.
Als langjähriger Vorsitzender des DIN-Ausschusses Wellen und Welle-Nabe-Verbindungen
hat Prof. Dr.-Ing. Erhard Leidich zudem maßgeblich die schnelle Überführung
von Forschungsergebnissen in die Praxis ermöglicht und gefördert.
Prof. Leidich wurde vor Kurzem 70 Jahre alt.
DIE AUTOREN
M. Sc. René Schreiter,
Doktorand an der Professur Maschinenelemente
der Fakultät für
Automobil- und Maschinenbau der
Westsächsischen Hochschule Zwickau
Prof. Dr.-Ing. habil. Masoud Ziaei,
Inhaber der Professur Maschinenelemente
der Fakultät für Automobilund
Maschinenbau der Westsächsischen
Hochschule Zwickau
Literaturverzeichnis
[3] Ziaei, M.; Leidich, E.: Entwicklung eines analytischen Berechnungskonzeptes für formschlüssige Welle-Nabe-
Verbindungen mit hypotrochoidischen Konturen. Zwischenbericht, DFG-ZI 1161/2-1 und LE969/21-1.
Westsächsische Hochschule Zwickau und Technische Universität Chemnitz, 2016.
[9] Ziaei, M.; Selzer, M.: Rechnerische Optimierung der Kerbwirkungszahl von Unrundprofilen unter reiner
Torsionsbelastung und Vergleich mit dem genormten Zahnwellenprofil nach DIN 5480. VDI Berichte Nr. 2238
– Welle-Nabe-Verbindungen. Düsseldorf, VDI-Verlag, 2014.
[10] Ziaei, M.; Schreiter, R.; Knorr, P.; Leidich, E.; Reiß, F.: Hypotrochoidische Konturen – Eine Alternative für
formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen. VDI Berichte Nr. 2287 – Welle-Nabe-Verbindungen. VDI Verlag,
Düsseldorf 2016.
[11] DIN 743: Tragfähigkeitsberechnung von Wellen und Achsen, Teil 2: Formzahlen und Kerbwirkungszahlen.
Beuth Verlag, Berlin 2012.
[12] FKM-Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile. Forschungskuratorium
Maschinenbau (FKM). VDMA-Verlag, Frankfurt/Main 2003.
Dipl.-Ing. (FH) Marcus Herrmann,
war wissenschaftlicher Mitarbeiter an
der Professur Maschinenelemente der
Fakultät für Automobil- und Maschinenbau
der Westsächsischen
Hochschule Zwickau
Dipl.-Ing. Sebastian Vetter,
wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Institut für Konstruktions- und
Antriebstechnik an der Fakultät für
Maschinenbau der Technischen
Universität Chemnitz
IMPRESSUM
erscheint 2020 im 59. Jahrgang, ISSN 0722-8546
Redaktion
Chefredakteur: Dipl.-Ing. Reiner Wesselowski (We)
Tel.: 06131/992-322, E-Mail: r.wesselowski@vfmz.de
(verantwortlich für den redaktionellen Inhalt)
Redakteure: Miles Meier, Tel.: 06131/992-208,
E-Mail: m.meier@vfmz.de
Ivo Greuloch (Vol.), Tel.: 06131/992-353,
E-Mail: i.greuloch@vfmz.de
Vanessa Weingärtner (Vol.), Tel.: 06131/992-352,
E-Mail: v.weingaertner@vfmz.de
Redaktionsassistenz: Melanie Lerch,
Tel.: 06131/992-261, E-Mail: m.lerch@vfmz.de,
Petra Weidt, Tel.: 06131/992-371,
E-Mail: p.weidt@vfmz.de,
Ulla Winter, Tel.: 06131/992-347,
E-Mail: u.winter@vfmz.de,
(Redaktionsadresse siehe Verlag)
Gestaltung
Anette Fröder, Sonja Daniel, Mario Wüst
Chef vom Dienst
Dipl.-Ing. (FH) Winfried Bauer
Sales
Oliver Jennen, Tel.: 06131/992-262,
E-Mail: o.jennen@vfmz.de
Andreas Zepig, Tel.: 06131/992-206,
E-Mail: a.zepig@vfmz.de
Heike Rauschkolb, Auftragsdisposition
Tel.: 06131/992-241, E-Mail: h.rauschkolb@vfmz.de
Anzeigenpreisliste Nr. 57: gültig ab 1. Oktober 2020
Leserservice
vertriebsunion meynen GmbH & Co. KG,
Große Hub 10, 65344 Eltville, Tel.: 06123/9238-266
Bitte teilen Sie uns Anschriften- und sonstige Änderungen
Ihrer Bezugsdaten schriftlich mit
(Fax: 06123/9238-267, E-Mail: vfv@vertriebsunion.de).
Preise und Lieferbedingungen:
Einzelheftpreis: € 15,50 (zzgl. Versandkosten)
Jahresabonnement: Inland: € 153,- (inkl. Versandkosten)
Ausland: € 168,- (inkl. Versandkosten)
Abonnements verlängern sich automatisch um ein
weiteres Jahr, wenn sie nicht spätestens vier Wochen vor
Ablauf des Bezugsjahres schriftlich gekündigt werden.
Verlag
Vereinigte Fachverlage GmbH
Lise-Meitner-Straße 2, 55129 Mainz
Postfach 100465, 55135 Mainz
Tel.: 06131/992-0, Fax: 06131/992-100
E-Mail: info@vfmz.de,
www.vereinigte-fachverlage.de
Handelsregister-Nr.: HRB 2270, Amtsgericht Mainz
Umsatzsteuer-ID: DE149063659
Ein Unternehmen der Cahensly Medien
Geschäftsführer: Dr. Olaf Theisen, Matthias Niewiem
Verlagsleiter: Dr. Michael Werner, Tel.: 06131/992-401
Head of Sales: Beatrice Thomas-Meyer
Tel.: 06131/992-265, E-Mail: b.thomas-meyer@vfmz.de
(verantwortlich für den Anzeigenteil)
Vertrieb: Sarina Granzin, Tel.: 06131/992-148,
E-Mail: s.granzin@vfmz.de
Druck und Verarbeitung
Westdeutsche Verlags- und Druckerei GmbH
Kurhessenstraße 4 - 6, 64546 Mörfelden-Walldorf
Datenspeicherung
Ihre Daten werden von der Vereinigte Fachverlage GmbH gespeichert,
um Ihnen berufsbezogene, hochwertige Informationen
zukommen zu lassen. Sowie möglicherweise von ausgewählten
Unternehmen genutzt, um Sie über berufsbezogene
Produkte und Dienstleistungen zu informieren. Dieser
Speicherung und Nutzung kann jederzeit schriftlich beim
Verlag widersprochen werden (vertrieb@vfmz.de).
Die Zeitschrift sowie alle in ihr enthaltenen Beiträge und
Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Mit der Annahme
des redaktionellen Contents (Texte, Fotos, Grafiken
etc.) und seiner Veröffentlichung in dieser Zeitschrift geht
das umfassende, ausschließliche, räumlich, zeitlich und inhaltlich
unbeschränkte Nutzungsrecht auf den Verlag über.
Dies umfasst insbesondere das Recht zur Veröffentlichung
in Printmedien aller Art sowie entsprechender Vervielfältigung
und Verbreitung, das Recht zur Bearbeitung, Umgestaltung
und Übersetzung, das Recht zur Nutzung für eigene
Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen
Verwertung, z. B. Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen
Systemen, zur Veröffentlichung in Datennetzen
sowie Datenträger jedweder Art, wie z. B. die Darstellung
im Rahmen von Internet- und Online-Dienstleistungen,
CD-ROM, CD und DVD und der Datenbanknutzung und das
Recht, die vorgenannten Nutzungsrechte auf Dritte zu
übertragen, d. h. Nachdruckrechte einzuräumen. Eine Haftung
für die Richtigkeit des redaktionellen Contents kann
trotz sorgfältiger Prüfung durch die Redaktion nicht übernommen
werden. Signierte Beiträge stellen nicht unbedingt
die Ansicht der Redaktion dar. Für unverlangt eingesandte
Manuskripte kann keine Gewähr übernommen
werden. Grundsätzlich dürfen nur Werke eingesandt werden,
über deren Nutzungsrechte der Einsender verfügt, und
die nicht gleichzeitig an anderer Stelle zur Veröffentlichung
eingereicht oder bereits veröffentlicht wurden.
Datenschutzerklärung: ds-vfv.vfmz.de
Es gelten die allgemeinen Geschäftsbedingungen.
Mitglied der Informations-Gemeinschaft
zur Feststellung der Verbreitung von
Werbeträgern e. V. (IVW), Berlin.
www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 43

MULTIMEDIAL VERNETZT
KUNDEN GEWINNEN!
FÖRDERTECHNIK
MATERIALFLUSS
LOGISTIK
FLUIDTECHNIK
Profitieren Sie von unserem
einmaligen Mediennetzwerk!
Bitte kontaktieren Sie mich, ich berate Sie gerne!
Carmen Nawrath
Leitung Zentrales Marketing
& Corporate Services
Telefon: 0049/6131/992-245
c.nawrath@vfmz.de