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Antriebstechnik: Neue Getriebetechnologie steigert Produktivität

Kein Spiel und extrem hohe Drehsteifigkeit – aufgrund dieser Eigenschaften einer neuen Getriebetechnologie konnte das niedersächsische Unternehmen Broetje-Automation die Produktivität seiner Nietmaschinen um bis zu 20 % verbessern.

Nieten ohne Spiel Bildquelle: © Wittenstein

Broetje-Automation aus Wiefelstede bei Oldenburg ist seit über 36 Jahren im Umfeld der internationalen Flugzeugindustrie tätig. Neben dem Kerngeschäft mit Maschinen und Anlagen zum Nieten, Fügen und Montieren von kompletten Flugzeugstrukturen stellen die Niedersachsen Systeme zum Herstellen und Verarbeiten von Bauteilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK), für Roboteranwendungen sowie für die  prozessüberwachende Bildverarbeitung her. Auf großes Interesse bei führenden europäischen und amerikanischen Flugzeugherstellern und deren Zulieferern stoßen derzeit insbesondere die sogenannten MPAC-Anlagen (Multi Panel Assembly Cell): "Diese Anlagen verbinden mit zehntausenden von Nieten die Rumpfbauteile", erklärt Dr. Christian Heyers, Leiter der Steuerungstechnik bei Broetje-Automation. Die MPAC-Anlagen können nahezu alle Schalen der verschiedenen Sektionen sämtlicher gängiger Flugzeugmuster direkt aus dem CAD-Modell nieten. Und das mit extremer Präzision: Der hochkomplexe Endeffektor einer MPAC mit seinen je fünf Positionierachsen für Unterwerkzeug und Nietkopf erreicht beim Bohren, Dichtmittel applizieren, Nieten setzen und Stauchen eine elektronisch geregelte und sensorüberwachte Genauigkeit von ±0,1 mm.

Komplette MPAC-Anlage Bildquelle: © Broetje-Automation

Die komplette MPAC-Anlage: Sie verbindet mit hunderttausenden von Nieten die Rumpfbauteile zum Beispiel des Airbus A380 oder der Boeing 787 Dreamliner.

Um diese Werte zu erreichen, hat Broetje-Automation unter anderem das getriebetechnische Optimierungspotenzial voll ausgeschöpft. "An der sogenannten A2-Achse der MPAC hielten wir nach einer Getriebelösung Ausschau, die zugleich mehr Geschwindigkeit, eine höhere Achsdynamik und zudem mehr Positioniergenauigkeit durch weniger Flankenspiel erreichen sollte", blickt Dr. Christian Heyers zurück und ergänzt: "Das Ziel war es, die Regelung der Schwenkachse signifikant zu verbessern und so die Bewegung des Unterwerkzeugs zu beschleunigen, um im Gesamtprozess eine deutlich bessere Produktivität zu erreichen."

Auf der Suche nach einer entsprechenden Lösung wurden die Verantwortlichen bei Broetje-Automation bereits in einer sehr frühen Phase der Marktreife auf das neue Galaxie-Antriebssystem von Wittenstein aufmerksam. Das Besondere daran: Statt eines Zahnrads verfügt Galaxie über 48 dynamisierte Einzelzähne, die um ein 2er- oder 3er-Polygon herum gruppiert sind und entlang der Innenverzahnung des Getriebehohlrades geführt werden. Fast alle Zähne sind zeitgleich an der Drehmomentübertragung und Steifigkeitsbildung beteiligt. Zudem erfolgt dieser Multizahneingriff nicht als Linien-, sondern als Flächenkontakt auf Basis der logarithmischen Spirale. "Die seinerzeit spezifizierten Leistungsdaten ließen erwarten, dass das neuartige Winkelgetriebe die bisher eingesetzten spielarmen Planetengetriebe in den entscheidenden Merkmalen Spiel und Steifigkeit bei hohen Lasten beziehungsweise bei einem Flankenwechsel durch Umkehr der Bewegungsrichtung übertreffen würde", sagt Dr. Christian Heyers. In der Tat ermöglicht Galaxie durch den linearen Verlauf der Steifigkeit bereits bei geringen Lasten eine sehr präzise Regelung der Achsbewegung.

Endeffektor einer MPAC Bildquelle: © DMT

Der Endeffektor einer MPAC erreicht beim Bohren, Dichtmittel applizieren, Nieten setzen und Stauchen eine Genauigkeit von etwa 0,1 mm. Der Ausschnitt zeigt den Einbau eines Winkelgetriebes am Unterwerkzeug.

Erreicht wird diese Linearität neben dem vollflächigen Multizahneingriff dadurch, dass zwischen dem Zahnträger und der Innenverzahnung des Hohlrades nahezu kein Spalt mehr vorhanden ist - und damit kaum noch eine Biegelänge. Hinzu kommt, dass durch den flächigen Zahnkontakt eine optimale Breitenlastverteilung gegeben ist. Nicht zuletzt ist die Galaxie-Kinematik völlig spielfrei, weil die Zähne - durch ihre zylindrische Führung im Zahnträger - von selbst ihre Ausrichtung und das Eingreifen in die Innenverzahnung optimieren. Gleichzeitig sorgt die hydrodynamische Schmierung für ein reibungsfreies Ineinandergleiten der runden Zahnkörper in die Zahnträgerbohrungen. Daher bleibt das Nullspiel konstant und dauerhaft erhalten.

Insgesamt erreicht die Galaxie-Kinematik bis zu 6,5-mal mehr tragende Zahnfläche als schrägverzahnte Planetengetriebe - wie sie Broetje-Automation bislang an der prozessführenden A2-Achse seiner MPAC-Nietmaschinen montiert hatte. Alles in allem wartet die neue Technologie mit bis zu 170 % mehr maximalem Drehmoment im Vergleich zu sonstigen gängigen Getriebekinematiken bei vergleichbarer Baugröße auf, mit einer um bis zu dreifach höheren Überlastsicherheit und mit einem bis zu 70 % größeren Hohlwellendurchmesser.

Hervorzuhebende Eigenschaft des spielfreien Galaxie-Antriebes Bildquelle: © Wittenstein

Eine hervorzuhebende Eigenschaft des spielfreien Galaxie-Antriebes ist die sehr hohe Steifigkeit bei Wechselbelastung im Nulldurchgang, die sich im Betrieb nicht ändert.

"Für uns entscheidend waren die um Faktoren verbesserte Drehsteifigkeit der Kinematik und deren absolute Spielfreiheit auch bei Wechselbelastung im Nulldurchgang", verweist  Dr. Axel Peters, Executive Vice President Fastening bei Broetje-Automation, auf den konkreten Benefit beim Einsatz in den eigenen MPAC-Nietmaschinen. "Dadurch erreichen wir eine deutlich präzisere Bewegungsführung auch in Umkehrpunkten sowie eine um etwa 30 % schnellere Positionierung des Unterwerkzeugs." Mit anderen Worten: Hat die Maschine vorher eine Sekunde benötigt, um ein Inch zwischen zwei Nietstellen zu verfahren, sind es jetzt nur noch 0,7 Sekunden. Dies wiederum hat den Niettakt von 18 auf 21 Nieten pro Minute erhöht. Laut Dr. Axel Peters ist damit das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht: "Sogar 0,5 Sekunden erscheinen uns mittlerweile machbar. Möglich ist dies, weil sich durch Galaxie die Bewegungsgeschwindigkeit der Achse verdoppelt hat, die Beschleunigung jetzt 140 % besser ist und die Änderungsgeschwindigkeit der Beschleunigung - der Ruck - sogar um 250 % gesteigert werden konnte."