Hubwerk-Getriebeauswahl für Krane: Übersetzung berechnen
Wichtiger Hinweis Die Getriebeauswahl für das Hubwerk eines Krans erfolgt in drei Schritten: ① Berechnung des Übersetzungsverhältnisses i=n₁/n₂ (n₂=v×m/πD); ② Berechnung des Abtriebsdrehmoments T₂=(Q+G)×D/(2×i×η); ③ Auswahl des Getriebetyps anhand des Herstellerkatalogs und Überprüfung des Betriebsfaktors f≥1,25~1,60. Dieser Artikel demonstriert den vollständigen Prozess anhand von vier Berechnungsbeispielen für CD1 5t/10t und QD 32t/50t, inklusive Vergleichstabelle der Baureihen ZQ/QJ.
Das Getriebe ist das zentrale Antriebselement im Hubwerk eines Krans. Seine korrekte Auslegung beeinflusst direkt die Hubgeschwindigkeit, die Tragfähigkeit und die Lebensdauer. Anders als bei Standardprodukten mit fest zugeordneten Komponenten erfordert die Kranauslegung die Berechnung des passenden Übersetzungsverhältnisses und Drehmoments in Abhängigkeit von Tragfähigkeit, Hubgeschwindigkeit und Lastvielfachem des Rollenblocks. Dieser Artikel leitet den vollständigen Prozess der Getriebeauswahl – von der Drehzahlberechnung über die Drehmomentprüfung bis zur Festlegung des Betriebsfaktors – systematisch nach den Normen DIN 15018 und JB/T 9003-2004 ab und demonstriert die praktische Anwendung anhand von vier Berechnungsbeispielen: CD1-Elektroseilzug (5t/10t) und QD-Zweiträger-Brückenkran (32t/50t).
Übersetzungsberechnung im Hubwerk-Antriebsstrang
Der typische Antriebsstrang eines Hubwerks: Elektromotor – Kupplung – Bremse – Getriebe – Trommel – Drahtseil – Rollenblock – Haken. Die Aufgabe des Getriebes besteht darin, die Drehzahl zu reduzieren und das Drehmoment zu erhöhen – es wandelt das hohe Drehmoment bei hoher Drehzahl des Motors in ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl an der Trommel um.
Berechnung der Trommeldrehzahl: n₂ = v×m/(π×D). v ist die Hubgeschwindigkeit (m/min), m das Lastvielfache des Rollenblocks (Anzahl der Seilstränge / Anzahl der Seilstränge), D der Nenndurchmesser der Trommel (m). Beispiel CD1 5t-Elektroseilzug: v=8 m/min, m=2, D=0,3 m, daraus ergibt sich n₂=8×2/(π×0,3)=17,0 U/min.
Berechnung des Übersetzungsverhältnisses: i = n₁/n₂. n₁ ist die Nenndrehzahl des Motors (U/min). Übliche Polzahl-Wahl: 4-poliger Motor n₁≈1.400 U/min (in der Praxis 1.450), 6-poliger Motor n₁≈950 U/min. Im obigen Beispiel: i=1.450/17,0=85,3. Für die praktische Auswahl wird das genormte Übersetzungsverhältnis i=80 (nächstliegender Wert) gewählt.
Überprüfung der tatsächlichen Hubgeschwindigkeit: Nach der Wahl des genormten Übersetzungsverhältnisses muss die tatsächliche Geschwindigkeit zurückgerechnet werden: v_ist = π×D×n₁/(i×m). Mit i=80: v_ist=π×0,3×1.450/(80×2)=8,54 m/min. Die Abweichung beträgt (8,54-8)/8=6,75 % und liegt damit innerhalb der zulässigen Toleranz von ±10 %.
Drehmomentprüfung des Getriebes
Seilzugkraft an der Trommel: S = (Q+G)/(m×η_g). Q ist die Nenntragfähigkeit (N), G das Eigengewicht des Lastaufnahmemittels (N), m das Lastvielfache des Rollenblocks, η_g der Wirkungsgrad der Seilrollen (je Rollenpaar 0,96~0,98, bei 3 Paaren ca. 0,92~0,96).
Eingangsdrehmoment an der Trommel: T₂ = S×D/2 = (Q+G)×D/(2×m×η_g). Dieses Drehmoment entspricht dem Drehmoment, das die Abtriebswelle des Getriebes aufnehmen muss.
Auslegungsdrehmoment für die Getriebewahl: T_calc = T₂ × f_s. f_s ist der Betriebsfaktor (auch Anwendungsfaktor oder Lastfaktor genannt) und wird entsprechend der Triebwerksgruppe gewählt:
A3~A4 (leichte Ausführung): f_s = 1,10~1,25
A5 (mittlere Ausführung): f_s = 1,25~1,40
A6 (schwere Ausführung): f_s = 1,40~1,60
A7~A8 (sehr schwere Ausführung): f_s = 1,60~2,00
Bestätigung des Getriebetyps: Anhand von T_calc wird der Getriebetyp aus der Tabelle der Nenn-Abtriebsdrehmomente im Herstellerkatalog gewählt. Es gilt: Das Nenn-Abtriebsdrehmoment T_rated des Katalogs muss ≥ T_calc sein. Zusätzlich sind das maximal zulässige Drehmoment des Getriebes (für Überlastfälle) und das kurzzeitige Spitzendrehmoment zu überprüfen.
Motorleistung und Getriebeabstimmung
Vorläufige Motorleistung: P = (Q+G)×v/(6.120×η_total). η_total ist der Gesamtwirkungsgrad des Hubwerks (bestehend aus Getriebewirkungsgrad η_gb × Trommelwirkungsgrad η_d × Rollenblockwirkungsgrad η_g). Getriebewirkungsgrad η_gb: einstufiges Stirnradgetriebe ≈ 0,98, zweistufig ≈ 0,96, dreistufig ≈ 0,94. Der Gesamtwirkungsgrad wird üblicherweise mit 0,85~0,90 angenommen.
Motorprüfung: Der Hubmotor muss bei Nennleistung das Heben der Nennlast mit voller Geschwindigkeit ermöglichen. Zusätzlich ist das Anzugsmomentverhältnis zu überprüfen (üblicherweise M_st/M_n ≥ 2,0~2,5, entsprechend der Überlastfähigkeit des Motors). Bei häufigen Start-Stopp-Betrieben ab A6 ist ein Motor mit hohem Schlupf (Schleifringläufermotor) zu wählen.
Schnittstellenabstimmung Motor-Getriebe: Der Wellendurchmesser und die Passfedernut der Motorwelle müssen zur Eingangsbohrung des Getriebes passen. Übliche Wellendurchmesser bei Y-Motoren, 4-polig: 2,2 kW – 28 mm, 4 kW – 38 mm, 7,5 kW – 42 mm, 15 kW – 48 mm, 30 kW – 55 mm. Die Eingangsbohrung des Getriebes muss 0~0,5 mm größer sein als der Motorwellendurchmesser.
Gängige Getriebebaureihen und technische Parameter
Für Kranhubwerke werden üblicherweise drei Getriebebaureihen eingesetzt:
Baureihe ZQ/JZQ (mittelgehärtete Zahnflanken): Das klassische zweistufige Stirnradgetriebe mit einer Zahnflankenhärte von 300~350 HBW. Achsabstand 250~1.000 mm, Nenn-Abtriebsdrehmoment 0,5~50 kN·m, Übersetzungsverhältnis 8~50. Geeignet für kleine und mittlere Krane der Triebwerksgruppen A3~A5. Vorteile: niedriger Preis, einfache Wartung; Nachteile: großes Bauvolumen, geringere Zahnflankenhärte.
Baureihe QJ (gehärtete Zahnflanken): Dreistufiges Stirnradgetriebe nach JB/T 9003-2004, Zahnräder einsatzgehärtet mit einer Härte von 58~62 HRC. Nenn-Abtriebsdrehmoment 10~200 kN·m, Übersetzungsverhältnis 16~200. Geeignet für mittlere und große Krane der Triebwerksgruppen A5~A7. Vorteile: hohe Tragfähigkeit, kompakte Bauweise, lange Lebensdauer; Nachteil: ca. 30~50 % teurer als die Baureihe ZQ.
Planetengetriebe: Aufbau aus Sonnenrad, Planetenrädern und Hohlrad; dreistufige Ausführung ermöglicht Übersetzungsverhältnisse von i=100~300. Wirkungsgrad η≥0,95, bei gleichem Übersetzungsverhältnis 40~60 % kleiner als ein Parallelwellengetriebe. Geeignet für Anwendungen mit hoher Übersetzung und beengten Platzverhältnissen. Nachteil: hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit, aufwendige Wartung.
Kelude Schwerindustrie setzt bei der Elektroseilzug-Baureihe Getriebe der Baureihe QJ oder Sonderanfertigungen ein, bei den QD-Zweiträger-Brückenkranen kommen Getriebe der Baureihe QJ mit gehärteten Zahnflanken zum Einsatz.
Berechnungsbeispiele für die Getriebeauswahl
Beispiel 1: CD1 5t-Elektroseilzug (Triebwerksgruppe A5)
Q=5t=49050N, v=8m/min, m=2 (Doppelseil), D=0,3m, Anschlagmittel G≈500N. 4-poliger Motor n₁=1450 r/min. n₂=8×2/(π×0,3)=17,0 r/min. i=1450/17,0=85,3. Gewählt wird das Standard-Übersetzungsverhältnis i=80 der QJ-Serie. Tatsächliche Hubgeschwindigkeit v=π×0,3×1450/(80×2)=8,54 m/min. Leistung P=(49050+500)×8/(6120×0,85)=49550×8/5202=76,2 kW. Korrektur: Dieser Leistungswert ist deutlich zu hoch – die tatsächliche Motorleistung des CD1 5t Elektroseilzugs beträgt 7,5 kW (aufgrund der Federkraftbremse und des abweichenden Gesamtwirkungsgrads). In der Praxis ist das Getriebe des CD1 bereits im Hubwerk integriert; der Gesamtwirkungsgrad wird mit η_gesamt≈0,80 angesetzt (inkl. Getriebe, Trommel, Rollen und Drahtseilreibung), dann ergibt sich P=(49050+500)×8/(6120×0,80)=49550×8/4896=80,9 kW. Die tatsächliche Motorleistung von 7,5 kW liegt jedoch weit unter diesem Rechenwert – dies liegt daran, dass das Lastvielfaches m=2 der CD1-Hubrolle die Seilzugkraft halbiert und das Hubwerk ein mehrstufiges Planetengetriebe (mit hohem Gesamtwirkungsgrad) verwendet (mit höherem Gesamtwirkungsgrad als bei Parallelwelle). Die präzise Formel lautet P=(Q+G)×v/(1000×η×60)=50 kN×8/(1000×0,90×60)=7,4 kW. Gewählt wird ein 7,5-kW-Motor. Das Abtriebsdrehmoment des Getriebes T₂=S×D/2=(Q+G)/(m×η_g)×D/2=49550/(2×0,96)×0,3/2=25807×0,15=3871 N·m. Mit f_s=1,25 (A5) ergibt sich T_berechnet=3871×1,25=4839 N·m. Das zum CD1-Hubwerk passende Getriebe QJ12.5 (Achsabstand 125 mm) hat ein Nenndrehmoment von ≈5000 N·m ≥ 4839 N·m. Der Standard-CD1 5t-Hubzug hat einen Achsabstand von 125 mm und ist mit einem 7,5-kW-4-poligen Motor ausgestattet.
Rechenbeispiel 2: CD1 10t Elektroseilzug (Triebwerksgruppe A5)
Q=10t=98100N, v=7 m/min (die Hubgeschwindigkeit wird bei 10t üblicherweise auf 7 m/min reduziert), m=3 (Dreifachseil), D=0,35 m, Anschlagmittel G≈800N. n₂=7×3/(π×0,35)=19,1 r/min. i=1450/19,1=75,9. Gewählt wird das Standard-Übersetzungsverhältnis i=71. Tatsächliche Hubgeschwindigkeit v=π×0,35×1450/(71×3)=7,48 m/min. Leistung P=(98100+800)×7/(1000×0,90×60)=98900×7/54000=12,8 kW, gewählt wird ein 13-kW-Motor. Die tatsächliche Motorleistung des CD1 10t beträgt 13 kW. Getriebeausgang: S=98900/(3×0,95)=34702N, T₂=34702×0,35/2=6073 N·m. f_s=1,25, T_berechnet=7591 N·m. Das Getriebe QJ16 (Achsabstand 160 mm) hat ein Nenndrehmoment von ≈8000 N·m ≥ 7591 N·m.
Rechenbeispiel 3: QD 32t×22,5m Brückenkran (Triebwerksgruppe A6)
Q=32t=313920N, v=5 m/min (niedrige Geschwindigkeit bei großer Traglast), m=6 (Sechs-Seil-Stränge auf der Trommel), D=0,6 m, Haken G≈2000N. n₂=5×6/(π×0,6)=15,9 r/min. Gewählt wird ein 6-poliger Motor n₁=950 r/min (A6: Mehrstufenmotor für häufige Hub- und Bremsvorgänge). i=950/15,9=59,7. Gewählt wird das Standard-Übersetzungsverhältnis i=56 der QJ-Serie. Tatsächliche Hubgeschwindigkeit v=π×0,6×950/(56×6)=5,32 m/min. Leistung P=(313920+2000)×5/(1000×0,88×60)=315920×5/52800=29,9 kW, gewählt wird ein 30-kW-Motor. Getriebeauswahl: S=315920/(6×0,94)=56017N, T₂=56017×0,6/2=16805 N·m. f_s=1,50 (A6), T_berechnet=16805×1,50=25208 N·m. Das Getriebe QJ25 (Achsabstand 250 mm) hat ein Nenndrehmoment von ≈30000 N·m ≥ 25208 N·m. Der QD 32t Brückenkran wird in der Praxis mit einem 30-kW-Motor und QJ25-Getriebe ausgestattet.
Rechenbeispiel 4: QD 50t×28,5m Brückenkran (Triebwerksgruppe A6)
Q=50t=490500N, v=3,5 m/min, m=8 (Achtfachseil), D=0,7 m, Haken G≈3500N. n₂=3,5×8/(π×0,7)=12,7 r/min. 6-poliger Motor n₁=950 r/min, i=950/12,7=74,8. Gewählt wird das Standard-Übersetzungsverhältnis i=71. Tatsächliche Hubgeschwindigkeit v=π×0,7×950/(71×8)=3,68 m/min. Leistung P=(490500+3500)×3,5/(1000×0,88×60)=494000×3,5/52800=32,7 kW, gewählt wird ein 37-kW-Motor. S=494000/(8×0,93)=66478N, T₂=66478×0,7/2=23267 N·m. f_s=1,50, T_berechnet=34901 N·m. Das Getriebe QJ31 (Achsabstand 315 mm) hat ein Nenndrehmoment von ≈45000 N·m ≥ 34901 N·m. Der QD 50t wird in der Praxis üblicherweise mit dem Getriebe QJ31 und einem 37-kW-Motor ausgestattet. Vollständige Auswahlparameter für QD-Typ Brückenkrane finden Sie unter QD-Typ Zweiträger-Brückenkran: Parameter, Preise und Auswahl nach Traglast.
6. Technische Parameterübersicht für die Getriebeauswahl
Nachfolgend die empfohlenen Getriebeauswahl für gängige Hubwerke:
| Kran | Tragfähigkeit(t) | v(m/min) | Rolle Lastvielfachesm | Trommel D(mm) | Motork W | Übersetzungsverhältnisi | Getriebe Typ | Service Koeffizientf |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CD1Lastaufnahmemittel | 5 | 8 | 2 | 300 | 7.5 | 80 | QJ12.5 | 1.25 |
| CD1Lastaufnahmemittel | 10 | 7 | 3 | 350 | 13 | 71 | QJ16 | 1.25 |
| QDBrücken | 16 | 7 | 4 | 400 | 18.5 | 63 | QJ20 | 1.40 |
| QDBrücken | 32 | 5 | 6 | 600 | 30 | 56 | QJ25 | 1.50 |
| QDBrücken | 50 | 3.5 | 8 | 700 | 37 | 71 | QJ31 | 1.50 |
Häufig gestellte Fragen zum Kran-Getriebe
F: Ist ein größerer Betriebsfaktor fs am Getriebe immer besser?
A: Nein. Ein größerer Betriebsfaktor bedeutet eine größere Getriebebaugröße – Preis, Gewicht und Einbauraum steigen entsprechend. Für die Triebwerksgruppe A5 ist fs = 1,25 wirtschaftlich sinnvoll; ein überdimensionierter Betriebsfaktor führt lediglich zu unnötigen Mehrkosten. Wird hingegen für die tatsächliche Triebwerksgruppe A6 nur der Wert fs = 1,25 aus der Gruppe A5 gewählt, verkürzt sich die Ermüdungslebensdauer der Zahnflanken erheblich. Entscheidend ist die Auswahl des Betriebsfaktors passend zur tatsächlichen Triebwerksgruppe – weder zu großzügig noch zu knapp bemessen.
F: Lässt sich die Hubgeschwindigkeit über das Übersetzungsverhältnis korrigieren?
A: Ja. Die Hubgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zum Übersetzungsverhältnis: Eine größere Übersetzung reduziert die Geschwindigkeit (erhöht jedoch das Drehmoment an der Abtriebswelle), eine kleinere Übersetzung erhöht sie. Die Anpassung muss sich jedoch im Rahmen der genormten Übersetzungsverhältnisse bewegen (QJ-Standardübersetzungen: 20/22,4/25/28/31,5/35,5/40/45/50/56/63/71/80/90/100/112/125/140/160/180/200). Zwischen benachbarten Stufen ändert sich die Geschwindigkeit um ca. 12 %. Passt keine Standardübersetzung, lässt sich die Zielgeschwindigkeit alternativ über die Polpaarzahl des Motors erreichen (z. B. von 4-polig auf 6-polig: ca. 34 % langsamer) oder über das Lastvielfaches der Rolle anpassen.
F: Ist das Getriebe eines Elektroseilzugs mit dem eines Brückenkrans identisch?
A: Aufbau und Funktionsprinzip sind gleich, die Bauformen unterscheiden sich jedoch. CD1/MD1-Elektroseilzüge verwenden ein dreistufiges Planetengetriebe, das direkt in die Trommel integriert ist – mit hoher Übersetzung (i = 60–120) und kompakter Bauweise. QD-Zweiträger-Brückenkrane nutzen dagegen ein extern angeflanschtes QJ-Parallelwellengetriebe mit mittlerer Übersetzung (i = 16–100), das sich gut warten lässt. Das Getriebe des Elektroseilzugs ist in der Regel eine kundenspezifische Sonderkonstruktion, während der QD-Typ auf die genormte Baureihe nach JB/T 9003 zurückgreift. Kelude Schwerindustrie stattet seine Elektroseilzüge mit einem dreistufigen Planetengetriebe aus; die QD-Serie ist serienmäßig mit einem QJ-Stirnradgetriebe mit gehärteten Zahnflanken ausgestattet.
F: Was sind die Ursachen für Getriebeölverlust und wie lässt sich dieser verhindern?
A: Die häufigsten Ursachen für Ölaustritt am Getriebe: ① Gealterte oder falsch montierte Wellendichtringe (ca. 70 % der Leckagen treten an der Eingangs- bzw. Abtriebswelle auf); ② Versagen der Dichtungsmasse an den Gehäusefugen; ③ Zu hoher Ölstand (über der oberen Markierung des Ölschauglases); ④ Verstopfte Entlüftungskappe mit Druckanstieg im Gehäuseinneren; ⑤ Gehäuseverformung durch langfristige Überlast. Vorbeugemaßnahmen: Kombination aus Radial-Wellendichtring und Labyrinthdichtung, Ölstand auf die Mittellinie des Schauglases einstellen, Dichtungen regelmäßig tauschen (alle 2.000 Betriebsstunden oder jährlich), Betriebstemperatur unter 85 °C halten. Die QJ-Serie ist serienmäßig mit einem doppellippigen Radial-Wellendichtring und einer Ölrücklaufnut als Leckageschutz ausgestattet.
