Hubmotor Leistungsberechnung für Brückenkrane

Beim selben 50-t-Brückenkran kann das Ergebnis der statischen Leistungsformel von etwa 27 kW bis 77 kW reichen — fast das Dreifache —, je nachdem ob die Hubgeschwindigkeit mit 3 m/min oder 8 m/min und der Gesamtwirkungsgrad mit 0,85 oder 0,90 angesetzt wird. Diese Spanne liegt nicht an einem ungewöhnlichen Gerät, sondern an unterschiedlichen Randbedingungen und Annahmen.

Norm DIN 15018 (Krandimensionierungsnorm) stellt die Hubwerksberechnung an den Anfang der gesamten Konstruktion, und die Leistungsberechnung des Hubmotors ist dabei der fehleranfälligste Schritt. Wer die Annahmelogik der drei Variablen Gesamtwirkungsgrad, Hubgeschwindigkeit und Triebwerkgruppe versteht, muss bei der Leistungsberechnung nicht mehr schätzen.

Fünf Randbedingungen vor der Hubmotor-Leistungsberechnung festlegen

Der erste Schritt der Leistungsberechnung des Hubmotors ist nicht das Einsetzen in die Formel, sondern das Fixieren der Randbedingungen. Je nachdem, wie die Randbedingungen gesetzt werden, ergeben sich für denselben Kran zwei völlig unterschiedliche Motorleistungen.

Es gibt fünf Randbedingungen, und jede einzelne bestimmt die endgültige Leistung direkt.

① Hublast — Nenntragfähigkeit plus Eigengewicht des Lastaufnahmemittels. Hakenflasche und Drahtseil machen üblicherweise 2 % bis 5 % der Nenntragfähigkeit aus; dieser Anteil wird am häufigsten vergessen.

② Hubgeschwindigkeit — bei Doppelträgerkranen nach EU-Norm von 50 t bis 300 t liegt die Hubgeschwindigkeit üblicherweise zwischen 2 und 8 m/min; je größer die Tragfähigkeit, desto geringer die Geschwindigkeit. Pro 1 m/min Änderung der Geschwindigkeit ändert sich die statische Leistung um etwa 15 % bis 25 %.

③ Triebwerksgruppe — der Unterschied zwischen M5 und M7 bei der Erwärmungsprüfung des Motors kann bis zu 30 % betragen; dies ist die am leichtesten übersehene Variable. FEM 9.311 (Klassifizierung der Triebwerksgruppen) teilt Triebwerke nach Nutzungshäufigkeit und Lastkollektiv in mehrere Stufen ein; vor der Motorauswahl muss diese Stufe feststehen.

④ Aufbau der Antriebskette — Lastvielfaches, Getriebestufen und Trommeldurchmesser bestimmen gemeinsam den anzusetzenden Gesamtwirkungsgrad.

⑤ Stromversorgung und Arbeitsweise — Einschaltdauer und Hubarbeitsweise bestimmen die Umrechnungsmethode der Erwärmungsprüfung.

Kelude Schwerindustrie bestätigt bei Doppelträgerkranen nach EU-Norm von 50 t bis 300 t bereits in der Phase der Konstruktionseingabe diese fünf Randbedingungen Punkt für Punkt und hält sie im Berechnungsbericht fest, um spätere wiederholte Leistungsänderungen zu vermeiden.

Statische Hubleistungsformel im Detail: Warum der Gesamtwirkungsgrad nicht geschätzt werden darf

Die Formel für die statische Leistung des Hubmotors lautet P=Q×v÷(6120×η), wobei Q die gesamte Hublast (kgf), v die Hubgeschwindigkeit (m/min) und η der Gesamtwirkungsgrad des Mechanismus ist; P wird in kW angegeben.

Die Herkunft der Konstante 6120 verdient eine Erklärung. 1 kW entspricht etwa 102 kgf·m/s; um die Geschwindigkeit von m/s in m/min umzurechnen, ist durch 60 zu teilen: 102×60=6120. Diese Konstante ist also selbst das Ergebnis einer Einheitenumrechnung und kein Erfahrungskoeffizient.

Wirklich knifflig ist der anzusetzende Gesamtwirkungsgrad η. Er ist nicht der Wirkungsgrad eines einzelnen Bauteils, sondern das Produkt aus drei Stufen: Getriebewirkungsgrad × Trommelwirkungsgrad × Wirkungsgrad des Rollenblocks.

Ein dreistufiges hartverzahntes Getriebe erreicht üblicherweise 0,93 bis 0,95, ein Planetengetriebe bis zu 0,96 bis 0,98. Der Wirkungsgrad der Seiltrommel liegt bei etwa 0,94 bis 0,98. Der Wirkungsgrad des Rollenblocks variiert mit dem Lastvielfachen und beträgt bei einem Lastvielfachen von 2 bis 8 etwa 0,95 bis 0,97. Multipliziert man die drei Werte, ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad zwischen 0,85 und 0,90.

Der häufigste Fehler in der Branche ist, einfach 0,9 oder 0,85 einzusetzen. Kelude Schwerindustrie setzt bei Projekten nach EU-Norm die Werte für Getriebe, Trommel und Rollenblock einzeln an und multipliziert sie anschließend, denn jede Stufe wirkt sich auf die endgültige Leistung verstärkend aus.

Vollständiges Verifikationsbeispiel: 50-t-Hubmotor nach EU-Norm

Nachfolgend wird am Hubwerk eines 50-t-Doppelträgerkrans nach EU-Norm von Kelude Schwerindustrie die statische Leistungsberechnung vollständig durchgerechnet. Das Gerät hat eine Hubgeschwindigkeit von 5 m/min; das Eigengewicht des Lastaufnahmemittels wird mit 3 % der Nenntragfähigkeit, also 1,5 t, angesetzt, die gesamte Hublast beträgt rund 51,5 t.

Eingesetzt in die Formel ergibt sich P=51500×5÷(6120×0,88)≈47,8 kW. Der Gesamtwirkungsgrad ist hier mit 0,88 angesetzt, entsprechend dem Produkt aus 0,94 für das dreistufige hartverzahnte Getriebe, 0,97 für die Trommel und 0,96 für den Rollenblock.

Die berechnete statische Leistung ist nur der erste Schritt; die Motor-Nennleistung muss noch drei Hürden bestehen.

① Anlaufprüfung — das Anlaufmoment muss das 1,6- bis 2,0-Fache des Nenndrehmoments erreichen, damit ein sauberer Anlauf unter Volllast ohne Blockieren gewährleistet ist.

② Erwärmungsprüfung — gemäß Triebwerksgruppe M7 (Einschaltdauer 60 %) wird die statische Leistung in eine äquivalente Leistung umgerechnet, um sicherzustellen, dass die Wicklungsübertemperatur den für Isolationsklasse B zulässigen Wert nicht überschreitet.

③ Einordnung in die Normleistungsreihe — 47,8 kW wird in der Normleistungsreihe auf 55 kW aufgerundet, was eine Sicherheitsreserve von etwa 15 % lässt.

Nach diesem Ablauf wird aus dem Auswahlergebnis „etwa 50 kW" die eindeutige Aussage „statische Leistung 47,8 kW, Nennleistung 55 kW, Anlauf- und Erwärmungsprüfung bestanden".

Drei häufige Fehler bei der Hubmotor-Auswahl

Wenn die Hubmotor-Auswahl schiefgeht, liegt das selten an einem Rechenfehler in der Formel, sondern meist daran, dass eine der drei Hürden übersprungen wurde. Drei häufigste Fehler verdienen eine gesonderte Betrachtung.

Der erste Fehler ist eine überdimensionierte Leistung. Manche Einkäufer wählen die Motorleistung gewohnheitsmäßig größer, in der Annahme, eine Reserve sei nie verkehrt. Tatsächlich ist ein überdimensionierter Motor bei leichter Last weniger effizient, erwärmt sich stärker, erzeugt größere Anlaufstöße und verursacht unnötige Kosten. Entscheidend ist die präzise Berechnung, nicht das pauschale Aufschlagen.

Der zweite Fehler ist, nur die statische Leistung zu berechnen und die Erwärmungsprüfung wegzulassen. Bei häufigem Heben liegt die tatsächliche Erwärmung des Motors weit über der Übertemperatur, die der statischen Leistung entspricht; ein Motor ohne Erwärmungsprüfung brennt nach wenigen Monaten die Wicklung durch.

Der dritte Fehler ist das Ignorieren der Triebwerksgruppen-Umrechnung. Die Betriebszustände M5 und M7 stellen sehr unterschiedliche Anforderungen an die Erwärmung des Motors; einen Kran für M7 mit einem Motor für M5 auszulegen, bedeutet ein langfristiges Risiko.

Der technische Leiter von Kelude Schwerindustrie wies darauf hin: „Die Hubmotor-Leistung ist nicht möglichst groß zu wählen — ein überdimensionierter Motor hat bei leichter Last sogar einen schlechteren Wirkungsgrad. Entscheidend ist, die drei Hürden statische Leistung, Anlaufprüfung und Erwärmungsprüfung sauber durchzurechnen."

Auch die Sicherheitsüberwachung stellt zusätzliche Anforderungen an das Hubwerk: Vorschrift TSG 51-2023 (Sicherheitstechnische Überwachungsvorschrift für Hebezeuge) verlangt zuverlässige Brems- und Endschalterfunktionen des Hubwerks; die Motorauswahl muss zu den Sicherheitsschutzeinrichtungen des Gesamtgeräts passen.

Die in der Tabelle angegebenen statischen Leistungen sind Beispielrechnungen der Formel (ohne Eigengewicht des Lastaufnahmemittels und Anlaufreserve). Die tatsächliche Leistung richtet sich nach dem Berechnungsbericht und dem Vertrag.

📖 Weiterführende Literatur: Leistung, Drehzahl und Betriebszustand richtig abstimmen – die Auswahllogik für Hubmotoren bei Kranen  |  Ohne Getriebe direkt angetrieben – was Permanentmagnet-Direktantriebsmotoren bei Kranen wirklich leisten

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