Getriebe: Kompakter, leiser und vernetzter

Zwar lassen sich auch Getriebe entsprechend unterschiedlicher Anforderungen weiter optimieren, größere Innovationssprünge scheinen aber derzeit nicht in Sicht. Hersteller und Zulieferer von Getrieben sehen ihre Entwicklungsschwerpunkte vor allem in der Verbesserung der Condition-Monitoring-Systeme zugunsten längerer Lebensdauer sowie Ausfallminimierung, in der Optimierung der Verzahnungsgeometrie zugunsten von Geräuscharmut, höherer Lastenaufnahme oder verbessertem Wirkungsgrad, in der Prototypen-Simulation zugunsten anwendungsoptimierter Lösungen, effizientem Engineering und schnellerer Fertigung und in der Optimierung von Werkstoffen zugunsten gestiegener Leistungs- und Performance-Anforderungen. Im Zuge von Industrie 4.0 wird es vor allem auf die Vernetzung der Produkte und das Zusammenspiel der Komponenten miteinander ankommen – insbesondere dann, wenn es um Energieeffizienz geht.

„Außerdem entwickelt sich der Markt der Antriebstechnik weg von einzelnen Produkten hin zu Systemlösungen“, ergänzt Jürgen Ponweiser, Marketing Manager DACH bei WEG, Watt Drive. Das Unternehmen will künftig energieeffiziente, wartungsarme Schaltschranklösungen mit Komponenten, Motoren oder auch Getriebemotoren als Komplettlösung anbieten. Das Getriebemotorenprogramm WG20 mit Stirnrad-, Flach- und Kegelstirnradgetrieben steht aktuell für Nennmomente von 1.550 bis 4.500 Nm zur Verfügung und soll bis Ende 2018 auf bis zu 18.000 Nm erweitert werden. „Anwender erhalten so eine komplette Antriebslösung aus einer Hand. Durch die marktkonformen Anschlussmaße ist auch die weltweit einfache Austauschbarkeit ohne anwenderseitige Maschinenmodifikation gegeben“, so Jürgen Ponweiser.

Die bisher verfügbaren WG20-Getriebe lassen sich mit WEG-Anbaumotoren im Leistungsbereich von 0,12 bis 30 kW kombinieren. Dadurch sind die Getriebemotoren bis Energieeffizienzklasse IE4 verfügbar und direkt am Netz betreibbar. Mit der motorinternen Spannungsumschaltung werden nahezu alle Weltspannungen abgedeckt. Der Maschinen- oder Anlagenbauer kann so mit einem Gerät eine sehr große Bandbreite an Anwendungen umsetzen.

Getriebespezialist Zollern löst das Thema Komplettanbieter durch einen modularen Getriebebaukasten, mit dem 80 Prozent der Teile aller ausgelieferten Getriebe, inklusive der Sonderanwendungen, realisiert werden. So kann jedes Getriebe speziell für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden. „Dieser modulare Baukasten ist in den vergangenen 24 Monaten in Bezug auf Leistungsdichte, Gewichts-, Geräusch-, Verschleiß- und Kostenminimierung komplett überarbeitet worden“, sagt Raik Flämig, Geschäftsfeldleiter Antriebstechnik von Zollern. „Dabei kamen neueste Erkenntnisse der FEM-Berechnung sowie der Optimierung von Zahngeometrien zum Einsatz. Das Gewicht von Einzelbauteilen konnte um bis zu 30 Prozent reduziert werden, was letztlich zu einer Gesamtgewichtsreduzierung der Getriebe von zehn Prozent und zu einer wesentlich kompakteren Bauweise führte.“

Gewichtsreduzierung ist auch bei Sumitomo ein Thema. „Getriebe sorgen häufig für eine entscheidende Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Motor-Direktantrieben und sind die wesentlich kostengünstigere Alternative“, stellt Reinhard Huck, Head of Business Development Gearboxes bei Sumitomo, fest. „Dies gilt besonders im hohen Leistungsbereich, in dem wir uns bei Industriegetrieben bewegen.“ Mit einem Wirkungsgrad von 99 Prozent pro Übersetzungsstufe und geräuscharmen, geschliffenen Verzahnungen werden hier laut Hersteller akzeptable Werte erzielt. Beispielsweise wird beim Cyclo Drive 6000 durch den wälzenden Ablauf die Last auf mindestens 30 Prozent der Kurvenscheiben verteilt, was einen erheblichen Vorteil gegenüber einem Zahnradgetriebe hat. Durch das geringe Trägheitsmoment sind Cyclo-Getriebe besonders gut geeignet für häufigen Start-Stopp-Betrieb und Drehrichtungswechsel sowie für den Betrieb mit Frequenzumrichter.

Getriebelose Antriebe sind weiterhin im unteren Drehmomentbereich sinnvoll, für mittlere und höhere Drehmomente sieht Zollern auch in Zukunft Antriebssysteme mit Getrieben als die wirtschaftlichste Lösung. Als Spezialist baut das Unternehmen vorzugsweise Planetengetriebe im Drehmomentbereich von 1,5 bis 4.000 kNm, für spezielle Industrieanwendungen auch Kombinationen aus Planeten-, Stirnrad- und Kegelradgetrieben. Eingesetzt werden sie vor allem als Drehwerks- und Schwenkgetriebe, Fahrwerks-Stationärgetriebe sowie in Hub-, Zug- und Freifallwinden.
Bei Seilwinden können die kompakten Planetengetriebe mit Haltebremse in die Seiltrommel integriert werden. Der Antrieb kann wahlweise über schnell- oder langsamlaufende Hydromotoren oder Elektromotoren erfolgen. In einem Folgeprojekt hat Zollern sein Spektrum an Seilwinden mit integrierten Planetengetrieben überarbeitet und konnte durch den zusätzlichen Einsatz modernster Gussmaterialien eine Leichtbauwinde entwickeln, deren Seiltrommelgewicht bei gleichen Festigkeiten und vergleichbaren Kosten 28 Prozent geringer ist.

Sumitomo Drive Technologies bewegt sich bei Industriegetrieben vorwiegend im Projektgeschäft. Hier bedient das Unternehmen unter anderem im Energiesektor den Bereich der Kühlanlagen mit Nasskühlturmgetrieben sowie Getrieben für Luftkondensatoren.

„Unsere Kunden sind hauptsächlich Erstausrüster und erwarten funktionelle Getriebe mit gutem Preis-/ Leistungsverhältnis sowie selbstverständlich eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, auch bei hohen Spitzenlasten“, sagt Reinhard Huck. Weil auch die gesamte Projektabwicklung immer komplexer wird und sowohl technisch als auch logistisch hohe Flexibilität und kurze Lieferzeiten verlangt, verknüpft Sumitomo das Engineering unter Verwendung von modernen 3D-Systemen direkt mit den NC-Maschinen in der Fertigung. Dies eliminiert Schnittstellen und verkürzt Durchlaufzeiten.

Zollern verkürzt vor allem durch Simulation seine Entwicklungszeiten signifikant. Allerdings stellt die Optimierung von Bauteilgeometrien durch Simulation nachfolgend entsprechend höhere Anforderungen an die Entwicklung und die Auswahl der geeigneten Fertigungstechnologien beziehungsweise Fertigungsmaschinen. „In diesem Sinne ist es ein Wechselspiel zwischen Bauteiloptimierung und Fertigungstechnologie“, so Raik Flämig.

Innovative Werkstoffe stehen auch bei den Zulieferern im Fokus. So liefert SKF Komponenten wie Wälzlager, Dichtungen, Schmiersysteme, Zustandsüberwachungstechnik und Mechatronik-Bauteile an die Getriebehersteller. „Bei den Getrieben sind weltweit Trends zum Downsizing, zu höherer Energieeffizienz und zu längerer Haltbarkeit zu beobachten“, sagt Thomas M. Wolf, Leiter Application Engineering für konventionelle und elektrische Automotive-Antriebsstränge bei SKF in Schweinfurt. Und das verlangt nach reibungsminimierten, aber äußerst robusten und zudem kompakten Wälzlagern und ebenso optimierten Dichtungen.

Innovationspotenziale gibt es laut Wolf nach wie vor beim Wälzlager-Design, bei Lagerungs-Konzepten sowie bei den Werkstoffen, wie zum Beispiel wärmebehandelte Stähle für Hybrid-Lager, Keramik für Wälzkörper oder thermoplastische Elastomere für Dichtungen. Wichtig sei dabei, möglichst frühzeitig in die Entwicklung neuer Getriebe einbezogen zu werden, denn dann könnten die Komponenten auf die geplante Anwendung abgestimmt werden. Dazu nutzt SKF eigene Simulationsprogramme – auch für Dichtungen. Damit können Berechnungen mittels der Finite-Elemente-Methode sehr schnell durchgeführt werden. Der flotten Simulation folgt eine ebenso rasante Prototypen-Produktion: Mit dem speziellen Seal-Jet-Verfahren lassen sich einzelne Dichtungen innerhalb kürzester Zeit fertigen und sofort testen. „Die Ergebnisse aus den Praxis-Tests fließen wiederum in eine neue Simulation ein und am Ende ist das perfekte Produkt für eine spezifische Anwendung gefunden“, erläutert Wolfgang Swete, Leiter der strategischen Produktentwicklung bei SKF Sealing Solutions Austria, die temporeiche Optimierungsspirale.

Hochkomplexe Simulationsprogramme nutzt das Unternehmen natürlich auch für seine Wälzlager. Beispielsweise diente die hauseigene Software SimPro Expert dazu, um das Systemverhalten von Lager, Welle und Gehäuse in einem speziellen Getriebe des tschechischen Herstellers Wikov MGI zu untersuchen. Das Getriebe zeichnet sich durch zwei Planetenstufen mit patentierter Flex-Pin-Technologie (flexibler Planetenbolzen) aus, die für eine bessere Lastverteilung aller im Eingriff befindlichen Planetenräder sorgt und dadurch eine kompaktere Getriebebauform erlaubt.

Die Zuverlässigkeit dieses Leistungsverzweigungs-Getriebes wiederum hängt zu einem Großteil von den insgesamt 16 Kegel- und Zylinderrollenlagern ab, die aus den Schweinfurter SKF-Werken stammen. Auf Basis der Software-Erkenntnisse wurden Lösungen entwickelt, die eine maximale Traglast mit einer hohen Leistungsfähigkeit kombinieren. Die Getriebe kommen inzwischen in Unterwasser-Strömungsturbinen in einem schottischen Gezeitenkraftwerk zum Einsatz.

Die Digitalisierung der Produktion verändert auch den Bereich Wartung und Instandhaltung grundlegend. So ermöglicht die intelligente Vernetzung von Maschinen und Anlagen neben dem Erfassen und Auswerten der Leistungsdaten auch eine kontinuierliche Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung. Dazu liefern auch Getriebe immer mehr Daten aus dem Feld.

SKF bietet ein breites Portfolio an anwendungsspezifischen Sensoren zum Messen von Schwinggeschwindigkeiten, Hüllkurvenbeschleunigungen, Temperaturen und weiteren Daten. Die Sensordaten von derzeit knapp einer Million Komponenten aus Papiermaschinen, Walzwerken, Windenergieanlagen oder auch Schiffsgetrieben werden in die Cloud des Unternehmens übertragen. Zur Fernüberwachung und -diagnose durchforsten Experten mit Hilfe intelligenter Algorithmen in einem weltumspannenden Netzwerk aus SKF Remote Diagnostic Centern die hochgeladenen Datensätze rund um die Uhr nach auffälligen Werten.

Sumitomo versieht seine Industriegetriebe mit entsprechenden Aufnahmen für Temperatur- und Vibrationssensoren. „In der Regel besitzt der Anlagenbetreiber Monitoring-Systeme, die seinen kompletten Fertigungsprozess überwachen. Die Herausforderung für den Getriebehersteller liegt unserer Meinung nach darin, den Betreiber bezüglich der optimalen Anordnung dieser Systeme und bei der Definition der Normalitätsebenen zu beraten sowie bei Abweichungen bei der Ursachenforschung zu unterstützen“, so Reinhard Huck.

WEG hat zur Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit den Motor Scan entwickelt, eine anbaufähige Hardware-Komponente, die alle wichtigen Informationen des Motors sammelt und analysiert. „Durch eine Verbindung zur Cloud sind die gesammelten Informationen ständig verfügbar. Somit lassen sich Wartung und Austausch von Motoren deutlich optimieren. Präsentiert wird Motor Scan im Laufe des Jahres 2018“, so Jürgen Ponweiser.

So gesehen entwickeln alle Hersteller entweder allein oder gemeinsam mit Partnern entsprechende Sensorik und Condition-Monitoring-Systeme, was sich letztlich positiv auf die Anlagenverfügbarkeit auswirkt. jl