Parallelwelle oder Planetengetriebe: Drehmomentprüfung im Kran
Die Auswahl des Getriebes für Kranfahrwerke muss anhand des Übersetzungsverhältnisses (i=10~200), der Einbauart (Hohlwelle/Vollwelle/Flanschausführung) und der Triebwerksgruppe (M3~M8) erfolgen. Dabei stehen vier Bauarten zur Auswahl: Parallelwellen-Getriebe mit gehärteten Zahnflanken (einsatzgehärtet 58~62HRC, mittlere Drehzahl und mittlere Last), Planetengetriebe (3~4 Planetenradstufen, bei i≥35 nur 40% des Gewichts eines Parallelwellen-Getriebes), Zykloidengetriebe (einstufig 9~87, Überlastfähigkeit 200%) sowie Kompaktgetriebe (Motor, Getriebe und Bremse in einer Einheit, einfache Montage). Zusätzlich müssen das Abtriebsdrehmoment, die Radiallast und die thermische Grenzleistung geprüft werden.
Bei der Auslegung von Kranfahrwerken ist das Getriebe das zentrale Antriebselement zwischen der Motorabtriebswelle und der Radantriebswelle: Das Übersetzungsverhältnis bestimmt die Raddrehzahl und damit die Fahrgeschwindigkeit der Kranbrücke, das Abtriebsdrehmoment entscheidet, ob der Kran das Widerstandsmoment überwinden kann, und die Bauform sowie die Einbauart legen das gesamte Layout des Fahrwerks fest. Die verschiedenen Getriebetypen unterscheiden sich erheblich in Übersetzungsverhältnis, Tragfähigkeit, Wirkungsgrad, Gewicht und Kosten. Eine falsche Auswahl kann zu unzureichendem Bauraum, hohen Geräuschemissionen oder einer deutlich verkürzten Lebensdauer führen.
Gemäß den Anforderungen der Norm DIN 15018 an die Auslegung von Fahrwerks-Antriebssträngen muss die Getriebeauswahl drei zentrale Kennwerte gleichzeitig erfüllen:
①Abtriebsdrehmoment – nicht kleiner als das Motornenndrehmoment × Übersetzungsverhältnis × Wirkungsgrad (Tab ≥ TMotor × i × η);
②Radialkraft an der Abtriebswelle – nicht größer als der im Getriebekatalog zulässige Wert (Fr ≤ Fr, zul), insbesondere bei Hohlwellen-Getrieben, die direkt auf der Radachse sitzen;
③Thermische Leistungsreserve – ausreichend (Ptherm ≥ Ptatsächlich), um bei Dauerbetrieb eine Öltemperaturüberschreitung und damit einen Schmierungsausfall zu vermeiden.
Als Berechnungsbeispiel dient das Kranfahrwerk eines 50t-Zweiträger-Brückenkrans: Motor 2×22kW (4-polig/1460rpm/Nenndrehmoment 144N·m), Raddurchmesser 710mm, Kranfahrgeschwindigkeit 50m/min (0,833m/s), Raddrehzahl nRad=60×0,833/(π×0,71)=22,4 rpm, Gesamtübersetzung i=1460/22,4=65,2. Im Folgenden werden die vier Getriebebauarten hinsichtlich Übersetzungsaufteilung und Auslegung verglichen.
Getriebearten im Vergleich: Parallelwelle, Planeten, Zykloiden, Kompakt
Parallelwellen-Getriebe sind die am weitesten verbreitete Bauart in Kranfahrwerken (z. B. Baureihen ZQ/ZSC/ZQA). Die Zahnräder sind als Evolventen-Stirnräder ausgeführt, die Zahnflanken werden einsatzgehärtet (58~62HRC) und auf Fertigungsgenauigkeit der Stufe 6~7 geschliffen. Vorteile: hoher Wirkungsgrad (einstufig ≥98%), hohe Tragfähigkeit, geringe Herstellungskosten (standardisierte Massenproduktion) und einfache Wartung (regelmäßiger Ölwechsel und Sichtprüfung der Zahnflanken). Nachteile: großes Volumen und hohes Gewicht (insbesondere bei Übersetzungen über 50 sind mehrstufige Ausführungen erforderlich) sowie hoher Platzbedarf. Für das Beispiel mit i=65,2: dreistufige Ausführung mit i1=4,5 / i2=4,0 / i3=3,62, Gesamtübersetzung i=4,5×4×3,62=65,16, Achsabstand ca. ages=520mm, Eigengewicht ca. 380kg.
Planetengetriebe basieren auf einem Umlaufrädergetriebe aus Sonnenrad, Planetenrädern und Hohlrad. Der Motor treibt das Sonnenrad an; über 3~4 gleichmäßig verteilte Planetenräder wird die Last auf das Hohlrad übertragen. Die einstufige Übersetzung liegt üblicherweise bei 3~10, mehrstufig sind Gesamtübersetzungen von 200~1000 erreichbar. Vorteile: extrem hohe Leistungsdichte (bei gleichem Drehmoment nur 35%~50% des Volumens und Gewichts eines Parallelwellen-Getriebes), koaxiale Ein- und Abtriebswelle (direkte Motoranflanschung möglich), ruhiger Lauf und geringe Geräuschentwicklung (Lastverteilung auf mehrere Planetenräder). Nachteile: Herstellungskosten 2~3-mal höher als bei Parallelwellen-Getrieben, hohe Anforderungen an die Montagegenauigkeit (eine Abweichung der Wellenausrichtung >0,05mm führt zu ungleichmäßiger Lastverteilung auf die Planetenräder), Wartung und Austausch aufwendiger als bei Parallelwellen-Getrieben. Für i=65,2: zweistufig (i1=7,5 / i2=8,69), Gesamtübersetzung=7,5×8,69=65,18, Außendurchmesser ca. φ280mm, Eigengewicht ca. 150kg – das sind 61% weniger Gewicht als beim Parallelwellen-Getriebe.
Zykloidengetriebe arbeiten nach dem Prinzip der Zykloidenverzahnung mit Stiftzähnen und geringer Zähnezahldifferenz. Die einstufige Übersetzung liegt zwischen 9 und 87, was sie besonders für mittlere Leistungen im Übersetzungsbereich 11~87 geeignet macht. Vorteile: hoher Wirkungsgrad (einstufig ≥93%), außergewöhnliche Überlastfähigkeit (kurzzeitige Überlast von 200% ohne Schaden), lange Lebensdauer (die Ermüdungslebensdauer der Wälzkontakte zwischen Stiftzähnen und Zykloidenscheibe übertrifft die Biege-Ermüdungslebensdauer von Zahnradfüßen deutlich) und kompakte Bauweise. Nachteile: hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich (Zykloidenscheiben benötigen Spezialschleifmaschinen), Wartung nur im Werk möglich, bei kleinen Übersetzungen (i<11) kein Volumenvorteil. Für i=65,2: einstufig realisierbar (einstufige Zykloidengetriebe bis 87), Achsabstand ca. 165mm, Eigengewicht ca. 200kg.
Kompaktgetriebe (auch als „Katzengetriebe“ oder „Getriebemotor in Einheit“ bekannt) integrieren Motor, Getriebe und Bremse in einem gemeinsamen Gehäuse. Sie werden häufig in Elektroseilzug-Katzenhubwerken und in Fahrwerken mittlerer und kleiner Brückenkrane eingesetzt. Vorteile: äußerst einfache Montage (Hohlwelle wird direkt auf die Radachse aufgeschoben, keine Kupplung und keine Wellenausrichtung erforderlich), extrem kompakte Bauweise (kein Motorfundament und keine Kupplungsbaugruppe nötig) und hoher Standardisierungsgrad. Nachteile: begrenzter Übersetzungsbereich (üblicherweise i=5~80), die Radialtragfähigkeit der Hohlwelle ist durch die Einbausituation begrenzt (die Endplatte des Fahrwerksrahmens muss die Kräfte aufnehmen), und bei großen Tragfähigkeiten (>50t) ist die Kompaktgetriebe-Technologie weniger ausgereift als die Kombination aus Parallelwellen-Getriebe und Kreuzgelenkkupplung. Für i=65,2: dreistufiges Schrägstirnradgetriebe mit Hohlwellen-Abtrieb, Abmessungen ca. 580×420×340mm, Eigengewicht ca. 250kg.
Drehmomentprüfung und Übersetzungsverhältnis-Auslegung
Bei der Getriebeauswahl muss die Verteilung des Übersetzungsverhältnisses sowohl die Drehzahlanpassung der Abtriebswelle als auch die Drehmomentprüfung erfüllen. Am Beispiel (Motor 144 N·m, Übersetzungsverhältnis 65,2, Wirkungsgrad 93 %): Das Abtriebsdrehmoment des Getriebes Tab = 144 × 65,2 × 0,93 = 8.727 N·m. Dieses Drehmoment muss unter dem zulässigen Abtriebsdrehmoment des Getriebes liegen (üblicherweise als T2N angegeben, nach Anwendung des Betriebsfaktors f = 1,25 gemäß Triebwerksgruppe M5). Kann ein einzelnes Getriebe die Anforderung nicht erfüllen, bieten sich die Lösungen ”Doppelmotor + Doppelgetriebe” oder ”Einzelmotor + Doppelgetriebe + Synchronwelle” an – in diesem Fall übernimmt jedes Getriebe nur die Hälfte des gesamten Abtriebsdrehmoments.
Stufenweise Verteilung des Übersetzungsverhältnisses: Bei mehrstufigen Getrieben (Parallelwelle oder Planetenbauart) sollte die erste Stufe ein Übersetzungsverhältnis von 3–5 aufweisen (Reduzierung der Zahngeschwindigkeit zur Geräuschminderung), die letzte Stufe 3–6 (Gewährleistung ausreichender Zahnfuß-Biegefestigkeit), während die Zwischenstufen entsprechend größer ausgelegt werden können (4–8). Die Verteilung erfolgt nach dem ”Prinzip gleicher Festigkeit” – die Zahnflankenpressung und Zahnfußspannung jeder Stufe dürfen 85 % des zulässigen Wertes nicht überschreiten, um ein vorzeitiges Versagen einzelner Stufen bei gleichzeitiger Überdimensionierung anderer zu vermeiden. Bei Zykloidengetrieben mit einer Stufe ist bei einem Übersetzungsverhältnis über 43 eine zweistufige Ausführung (zwei Einzelstufen in Reihe) erforderlich, um eine übermäßige Verformung der Zykloidenbolzen zu verhindern.
Die Prüfung der Radialbelastung bei Hohlwellengetrieben ist besonders kritisch – wenn die Hohlwelle direkt auf der Radachse sitzt, wird die Radialkraft aus Eigengewicht und Radlast vollständig von den Ausgangslagern des Getriebes aufgenommen. Beispiel: Bei einem 50-t-Kran beträgt die maximale Radlast des Laufrads der Kranbrücke ca. 195 kN, die Radialkraft an der Abtriebswelle des Hohlwellengetriebes Fr ≈ 195/2 = 97,5 kN (unter Annahme gleichmäßiger Lastverteilung auf beide Räder). Der zulässige Wert laut Getriebekatalog liegt üblicherweise bei Fr,zul = 80–120 kN (abhängig von Abtriebswellendurchmesser und Lagerausführung). Bei der Auswahl ist sicherzustellen, dass Fr ≤ 0,8 × Fr,zul (zusätzliche Sicherheitsmarge gegen ungleichmäßige Radlastverteilung).
Schmierung und Lebensdauer von Krangetrieben
Die Art der Schmierung hat direkten Einfluss auf die Lebensdauer eines Getriebes. Parallelwellen- und Zykloidengetriebe werden üblicherweise mit Ölbadschmierung betrieben (die Zahnräder tauchen etwa 1–2 Zahnhöhen tief ins Ölbad ein). Planetengetriebe benötigen aufgrund höherer Drehzahlen eine Zwangsschmierung durch Öleinspritzung oder Fettschmierung. Als Schmieröl wird ISO VG220–VG460 empfohlen (bei Umgebungstemperaturen von −10 °C bis +40 °C). In Hochtemperaturumgebungen über +40 °C ist auf VG680 umzusteigen. Der erste Ölwechsel ist nach 200–300 Betriebsstunden (Einfahrphase) zwingend erforderlich, danach alle 2.000 Betriebsstunden oder einmal jährlich.
Die zu erwartende Lebensdauer des Getriebes: Bei Triebwerksgruppe M5 (mittlere Beanspruchung) und 8 Stunden Betrieb pro Tag erreichen Parallelwellengetriebe eine Auslegungslebensdauer von ca. 20.000–30.000 Stunden (etwa 10–15 Jahre), Planetengetriebe ca. 15.000–25.000 Stunden und Zykloidengetriebe bis zu 30.000–40.000 Stunden – letzteres dank der sehr hohen Ermüdungslebensdauer der rollenden Bolzen-Stift-Kontakte. Im praktischen Betrieb sind regelmäßige Inspektionen von Ölstand, Öltemperatur (max. 85 °C) und ungewöhnlichen Geräuschen (mittels Klangstab oder Schwingungssensor) die wirksamsten Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung.
Häufige Fragen zu Kranfahrwerk-Getrieben
F: Sollte das Kranfahrwerk eines 50-t-Brückenkrans mit einem Parallelwellengetriebe oder einem Kompaktgetriebe ausgeführt werden?
A: Für das Kranfahrwerk eines 50-t-Brückenkrans empfehlen wir die Kombination aus Parallelwellengetriebe und Kreuzgelenkkupplung. Gründe: ① Bei dieser Größenordnung ist die Radlast hoch (ca. 195 kN pro Rad); die radiale Lagerbelastung eines Kompaktgetriebes mit Hohlwelle wäre nahe am Limit. ② Ein Parallelwellengetriebe kann separat demontiert und gewartet werden, ohne Rad und Motor ausbauen zu müssen. ③ Die Parallelwellenbauweise eignet sich ideal für die Anordnung mit Doppelmotor, Doppelgetriebe und unabhängigen Rädern; über Frequenzumrichter lässt sich eine elektrische Synchronisation und Differenzialsteuerung beider Seiten realisieren. Bei extrem beengten Platzverhältnissen und entsprechendem Budget kann alternativ ein Planetengetriebe eingesetzt werden – das reduziert das Gewicht um 60 %, erhöht die Kosten jedoch um das Zwei- bis Dreifache.
F: Wie wird der Servicefaktor bei der Drehmomentprüfung eines Getriebes bestimmt? Welche Unterschiede ergeben sich aus den verschiedenen Triebwerksgruppen?
A: Der Servicefaktor f ist der Sicherheitszuschlag zwischen dem Nenndrehmoment des Getriebes und dem tatsächlich benötigten Drehmoment. Gemäß DIN 3990 und DIN 15018 gilt: M3–M4 (leichte Beanspruchung) f = 1,00; M5 (mittlere Beanspruchung) f = 1,25; M6 (schwere Beanspruchung) f = 1,50; M7–M8 (sehr schwere Beanspruchung) f = 1,75–2,00. Fahrwerke arbeiten meist in der Gruppe M5–M6 (mittlere bis häufige Start-Stopp-Betriebsweise); hier muss der Servicefaktor mindestens 1,25 betragen. Die Nachweisformel lautet: T2N (zulässiges Abtriebsnennmoment des Getriebes) ≥ f × Tab (tatsächliches Abtriebsmoment). Reicht der Servicefaktor nicht aus, ist auf das nächstgrößere Getriebe aufzurüsten – ein „Notbehelf“ ist nicht zulässig. Ein zu niedriger Servicefaktor ist die häufigste Ursache für Zahnflankenpitting und Zahnbruch.
F: Sind Zykloidengetriebe für Kranfahrwerke zuverlässig? Welche Einschränkungen gelten?
A: Zykloidengetriebe werden häufig in Hubwerken eingesetzt (z. B. in CD1/MD1-Elektroseilzügen) und sind auch in Fahrwerken bewährt. Bei Einhaltung folgender Bedingungen ist ihre Zuverlässigkeit mit der von Parallelwellengetrieben vergleichbar: ① Übersetzungsverhältnis im Bereich 11–87 (einstufig); darüber hinaus ist eine zweistufige Reihenschaltung erforderlich. ② Das Abtriebsmoment darf 80 % des Katalog-Nennwerts nicht überschreiten (20 % Reserve für unerwartete Lasten wie Radklemmen). ③ Die Schmierung muss einwandfrei sein (bei Ölbadschmierung darf der Ölstand die untere Grenze der Ölstandsanzeige nicht unterschreiten). ④ Saubere Umgebung – eindringender Staub in die Bolzen-Stift-Spalte beschleunigt den Verschleiß. Nicht empfohlen wird der Einsatz in Fahrwerken mit starken Schlaglasten: Das Spiel zwischen Zykloidenscheibe und Stift ist sehr gering (0,02–0,05 mm); häufige Schlaglasten können zu Biegung oder Bruch der Stifte führen.
F: Muss zwischen der Getriebeeingangswelle und der Motorabtriebswelle zwingend eine Kupplung eingebaut werden? Ist eine direkte Verbindung zulässig?
A: Zwischen Motorabtriebswelle und Getriebeeingangswelle muss zwingend eine elastische Kupplung (z. B. elastische Bolzenkupplung oder Membrankupplung) eingebaut werden. Eine starre Direktverbindung ist nicht zulässig. Drei Gründe: ① Ausgleich von Koaxialitätsabweichungen bei der Montage (zulässige radiale Abweichung 0,1–0,3 mm, winklige Abweichung 0,5°–1°). ② Absorption des Drehmomentstoßes beim Motoranlauf; das Getriebezahnrad wird vor Schlaglasten geschützt. ③ Bei einer Notbremsung (Bremse üblicherweise am Motorheck oder an der Schnelllaufwelle des Getriebes) dämpft die elastische Kupplung die Bremsmoment-Spitzen. Bei Kompaktgetrieben sind Motor und Getriebe in einem Gehäuse bereits fluchtend montiert; eine interne Kupplung ist nicht erforderlich. Zwischen der Hohlwelle des Kompaktgetriebes und der Radachse empfiehlt sich jedoch ein Drehmomentstützarm, um die radiale Belastung der Hohlwelle zu reduzieren.
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