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Präzise Kraftverteilung auf alle Achsen

Prüfstand für Verteilergetriebe fordert maximalen Stellbereich der Servo-Antriebe
Die Universalprüfstände von DAM sind das Bindeglied zwischen Vorserie und Serie.
Keine zwei Minuten haben die Prüfstände des österreichischen Spezialisten DAM Zeit, um innerhalb der Inline-Qualitätssicherung von Automobilbauern oder Zulieferern Getriebe nach der Herstellung auf Herz und Nieren zu überprüfen. Der darin eingesetzten Lenze-Servotechnik fordern die Anlagen ebenfalls Höchstleistungen ab. Denn die Stellbereiche von Drehzahl und -Moment sind alles andere als alltäglich.

Sinn und Zweck von Verteilergetrieben lassen sich mit wenigen Worten beschreiben: Sie teilen ein Eingangsdrehmoment auf mehrere Abtriebe auf, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen mit Allradantrieb. Ob AWD, 4WD, quattro, 4x4 – die Aufgaben der Verteilergetriebe haben sich dabei mit dem allgemeinen Trend zur fortschreitenden Integration zusätzlicher Funktionen massiv erweitert, zum Beispiel als Folge immer komplexerer ABS- oder ESP-Systeme. Resultat sind mechatronische Lösungen auf höchstem technischem Niveau – nicht zuletzt aufgrund der integrierten Motorensteuerung und der elektronisch gesteuerten Lamellenkupplung. Sie verteilt die Antriebskraft situationsgerecht und wohldosiert an die Achse, deren Räder den besten Kontakt zur Fahrbahn haben. Automobilkonzerne werben damit, dass sich mit der variablen Verteilung des Antriebsmoments zwischen Vorder- und Hinterrädern Agilität und Traktion auf unbefestigtem Untergrund gravierend verbessern. Um sicherzugehen, dass diese komplexen Aufgaben zuverlässig erfüllt werden, ist eine Qualitätssicherung auf hohem Niveau unerlässlich. Die Dynamic Assembly Machines Anlagenbau GmbH (DAM) aus dem österreichischen Gleisdorf stellt dafür hochspezialisierte Prüfstände her und setzt dabei auf Antriebstechnik von Lenze.

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„Alle 90 Sekunden ‚fällt‘ in der Serienproduktion ein Getriebe vom Band“, erklärt Robert Fandler, zusammen mit Gerald Matzer Geschäftsführer von DAM. Bei der Überprüfung liefert die Geräuschentwicklung der Getriebe wichtige Erkenntnisse darüber, ob die 30 bis 75 Kilogramm schweren Aggregate den hohen Qualitätsmaßstab erfüllen. „Geräusche sind ein verlässlicher Indikator für Montagefehler oder mangelhaft gefertigte Bauteile“, sagt Matzer. Für dieses Verfahren müssen die Lenze-Antriebe im Prüfstand hohe Drehzahlen zur Verfügung stellen. Der Bereich liegt auf der Getriebeeintriebsseite zwischen 0 bis 7500 Umdrehungen/Minute bei Drehmomenten zwischen -250 bis + 250 Newtonmeter. Abtriebsseitig liegen die Kenndaten bei 0 bis 2500 U/min und -700 bis +700 Newtonmeter.
Wesentlich höhere Kräfte wirken bei der Kupplungsprüfung. In einem Drehzahlbereich von 0 bis 700 Umdrehungen/Minute werden Kräfte bis zu 1600 Newtonmeter erreicht. Zentrale Frage dieser zwischen 70 und 110 Sekunden dauernden Analyse: Werden die Kräfte von der Lamellenkupplung auch wirklich exakt und schlupffrei übertragen?

Universalprüfstand für das Vorserienstadium

„In der Serienfertigung arbeiten Automobilbauer und Zulieferbetriebe angesichts der hohen Stückzahlen mit separaten Anlagen für Geräusche und Kupplung“, berichtet Gerald Matzer. Anders gestaltet sich die Situation im Vorserienstadium. „Dafür haben wir einen Universalprüfstand entwickelt, der sowohl die Geräusch- als auch die Kennlinienprüfung abdeckt.“ Wichtig dabei: Die Analyseverfahren müssen möglichst seriennah sein, damit sie sich später eins zu eins auf höhere Stückzahlen übertragen lassen. Dieser DAM-Universalprüfstand ist als vielseitig nutzbares Bindeglied zu bezeichnen, das zwischen der Entwicklungsphase und dem Serienstart eingesetzt wird. Aus diesem Grund muss sich der Prüfstand flexibel umbauen lassen und unterschiedliche Getriebeaufnahmen und Kontaktierungsmöglichkeiten für die Motorsteuergeräte bieten.

Die Antriebstechnik hat DAM gemeinsam mit Lenze für die maximal zu erwartenden Leistungsdaten ausgelegt. Deshalb werden Servoregler der Lenze-Reihe Servo Drives 9400 mit immerhin 370 Kilowatt Leistung eingesetzt, obwohl die eingesetzten Asynchronmotoren nur eine Leistung von 105 Kilowatt aufweisen. Um das hohe Drehmoment ohne Getriebe zu erreichen, wird ein Motorstrom von 690 Ampere benötigt. In diesem Betriebspunkt arbeiten die Asynchronmotoren bei einer Frequenz von 3,4 Hertz fast im Kurzschlussbetrieb. „Mechanisch und regelungstechnisch sind wir an die Grenze gegangen. Wo die genau lag, wusste vorher niemand ganz präzise. Es gab schlichtweg keine Erfahrungen“, blickt Gerald Matzer zurück. „Hier erwies sich die enge Zusammenarbeit mit der Entwicklung von Lenze als äußerst wertvoll.“ Die erste Einstellung der anspruchsvollen Antriebslösung hatte der Spezialist für Antriebs- und Automatisierungstechnik bereits im Labor vorgenommen. „Eine Herausforderung bestand etwa darin, die mit der hohen Leistung naturgemäß auftretenden Regelabweichungen und vor allem auch den Kostenrahmen im Griff zu behalten“, so Matzer weiter. „Gemeinsam mit Lenze ist uns das sehr gut gelungen.“

Bestückung per Roboter

Zur generellen Aufgabenstellung einer Prüfzelle gehört das Beladen der Anlagen per Knickarmroboter. Anschließend wird automatisch das Prüföl befüllt, die Aktuatoren und Sensoren sowie die An- und Abtriebsflansche werden kontaktiert. Für den eigentlichen Prüfprozess sind drei Antriebe erforderlich – einer als treibende Kraft vor dem Verteilergetriebe, zwei weitere im generatorischen Betrieb als bremsende Kraft an den zwei Abtrieben des Getriebes.

Aufgrund der hohen Ströme bei gleichzeitig minimaler Drehzahl sind die drei Asynchronmaschinen fremdbelüftet. Die erarbeitete Antriebslösung liefert Lenze als komplettes Paket. Die Realisierung des Schaltschranks gehört zum Verantwortungsbereich der eigenständigen Lenze-Anlagentechnik im österreichischen Enns – inklusive der Inbetriebnahme.

Im Prüfstand ist die Antriebsregelung per Profibus mit der SPS verbunden. Die Visualisierung läuft auf einem gesonderten IPC. DAM nutzt die Servoregler als Drehzahl- und Drehmomentsteller sowie als Gateway. „Wir sammeln über die integrierten Eingänge beispielsweise Lagertemperaturen ein und reichen sie per Feldbus durch bis zum Leitrechner“, geht Robert Fandler ins Detail. „Außerdem speichern wir alle qualitätsrelevanten Größen in einer Datenbank und unterstützen so die lückenlose Produktnachverfolgbarkeit.“

Prüfqualität

Ein weiteres Zeichen für hohe Qualität beim Prüfprozess sei auch, und darin sind sich beide Geschäftsführer einig, Anlagen so zu konzipieren, dass sie sparsam mit Energie umgehen. Weil in Getriebeprüfständen der Hauptantrieb als so genannter Eintriebsmotor die Rolle des späteren Verbrennungsmotors wahrnimmt, während zwei weitere Motoren den Widerstand der Räder auf der Abtriebsseite simulieren, bietet es sich förmlich an, die Regler im Zwischenkreisverbund zu betreiben. „Wir beziehen aus dem Netz folglich nur die reine Verlustleistung“, unterstreicht Robert Fandler die Energieeffizienz der DAM-Prüfstandstechnik.

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