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Angetriebene Schwerlasträder optimal auslegen

24.06.2008
Angetriebene Schwerlasträder kommen in vielen logistischen Anwendungen im Bereich der Transporttechnik zum Einsatz. Räder mit Naben aus metallischen Werkstoffen und weichelastischen Bandagen ersetzen zunehmend solche aus Stahl, Grauguss oder Aluminium, weil Laufruhe, gute Kraftübertragung und die Fähigkeit, Stöße zu absorbieren, angestrebte Eigenschaften sind.

Angetriebene Schwerlasträder mit Naben aus metallischen Werkstoffen und weichelastischen Bandagen finden in vielen logistischen Anwendungen im Bereich der Transporttechnik, wie Flurförderzeuge, Regalbediengeräte und Elektrohängebahnen, Verwendung. Als Material für die Bandagen von Schwerlasträdern haben sich massive Polyurethane (PUR) durchgesetzt. Sie haben im Vergleich zu Kautschukprodukten bessere mechanische Eigenschaften wie hohe Reißdehnung, gute Einschneid- und Weiterreißfestigkeiten sowie geringe Abrieb- und Verschleißwerte.

Auf Grund von gestiegenen Anforderungen an derartige Schwerlasträder, die durch die überwiegend in der Logistik immer leistungsfähigeren und dynamischeren Systeme vorgegeben werden, hat die Lebensdauer dieser Antriebselemente einen bedeutenden Stellenwert angenommen. Ein Ausfall einer logistischen Anlage, bedingt durch die falsche Auslegung eines Antriebselements, führt in Zeiten der Just-in-Time-Fertigung durch die Stillstandszeit des Systems zwangsläufig zu beträchtlichen wirtschaftlichen und finanziellen Schäden.

Ein im Laufe der letzten Jahre gestiegener und in der Zukunft noch weiter steigender Automatisierungsgrad logistischer Anlagen der Transporttechnik hat einen Wandel in der Art der eingesetzten Flurförderfahrzeuge nach sich gezogen. Unstetigförderer, wie zum Beispiel Regalbediengeräte oder Elektrohängebahnen, die den ständig größer werdenden dynamischen Belastungen, die moderne und zukunftsträchtige logistische Anlagen an ihre Transportfahrzeuge stellen, gerecht werden, gewinnen eine wachsende Bedeutung.

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Dimensionierung der Räder per Faustformel

Bislang erfolgt die Dimensionierung dieser Schwerlasträder mit Hilfe von Erfahrungswerten oder unzureichenden Faustformeln, die häufig zahlreiche Randbedingungen, wie zum Beispiel Antriebsmomente, vernachlässigen. Größere Sicherheit kann zurzeit nur durch kostenintensive Versuche jedes einzelnen Anwenders solcher Anlagen erzielt werden. Es fehlt derzeit jedoch ein für den Ingenieur anwendungsorientiertes Auslegungsverfahren, welches für viele typische Maschinenelemente existiert.

Erstmalig wurde durch die aktuellen experimentellen Untersuchungen am Fachgebiet Maschinen-elemente der TU Dortmund durch ein von der Stiftung Industrieforschung gefördertes Projekt eine Grundlage zur Optimierung der Betriebsbedingungen angetriebener Schwerlasträder in logistischen Anlagen geschaffen. An diesem Projekt waren mehrere Räderhersteller sowie Rohstofflieferanten und auch Anwender der Antriebsräder beteiligt. Mit Hilfe von Formeln, grafischen Modellen und automatisierten Berechnungs-Tools ist es nun möglich, eine genauere Abgrenzung der Betriebsgrenzen von Antriebsrädern vorzunehmen und somit einen optimierten Einsatz der Räder zu schaffen.

Einzigartiger Versuchsaufbau kann auch große Räder testen

Für die experimentellen Untersuchungen ist ein einzigartiger, an die Anforderungen angepasster Versuchsstand entwickelt worden, mit dem es erstmalig möglich ist, auch angetriebene Räder in dieser Größenordnung testen zu können.

Realisiert wird die Leistungsübertragung der Antriebsräder durch drei Getriebemotoren, die jeweils durch Vierquadrantenfrequenzumrichter sowohl im motorischen, als auch im generatorischen Betrieb einzusetzen sind, so dass bei der Versuchsdurchführung neben einem Antrieb auch eine Bremsbeschleunigung simuliert werden kann. Die zu prüfenden Räder werden von den Antriebsmotoren über Kreuzgelenkwellen angetrieben. Die von Pneumatik-Zylindern erzeugte Druckkraft wird über Hebelarme auf die Schwerlastrolle übertragen, die so gegen das Schwungrad gepresst wird. Die Anpresskräfte können dann über elektronische Druckregler exakt auf die gewünschten Anpresskräfte eingestellt werden.

Die Belastungen der Proberäder werden rechnergestützt gesteuert, und alle Messwerte werden digital von einem PC als Steuerungs- und Messrechner erfasst. So ist es möglich, jede einzelne Belastungsgröße gezielt zu variieren und auch praxisnahe Belastungskollektive nachzubilden.

Im Bereich der Messdatenerfassung werden die digitalen und analogen Daten der Sensoren der Versuchseinrichtung erfasst, visualisiert und für die Datenspeicherung verarbeitet.

Ziel dieser experimentellen Untersuchung war es, die Belastungsgrenzen in Abhängigkeit von der Anpresskraft, der Geschwindigkeit und dem Drehmoment zu ermitteln, aus denen dann Auslegungskriterien für die anforderungsgerechte Dimensionierung von angetriebenen Schwerlasträdern abgeleitet werden können.

Durchgeführt wurden die Versuche mit Rädern, die eine gebräuchliche Abmessung von 230 mm Durchmesser bei einer Breite von 80 mm besitzen. Jeder der vier am Projekt beteiligten Räderhersteller hat dafür jeweils einen Radtyp mit identischer Abmessung zur Verfügung gestellt.

Grundsätzlich können zwei Belastungsgrenzflächen im Raum der drei zuvor genannten Belastungsparameter definiert werden: Abhängig von den Reibungskoeffizienten zwischen den Radbelägen und der Fahrbahn ist das übertragbare Drehmoment durch einen übermäßigen Schlupf begrenzt. Auf der anderen Seite wird die Belastbarkeit der Räder durch eine dynamische Überbeanspruchung in Form von unterschiedlichen Versagensmechanismen limitiert.

Durch eine schrittweise Annäherung an die Belastungsgrenzen in dem durch die Methode der statistischen Versuchsplanung (auch Design of Experiments DOE genannt) ermittelten Versuchsablauf können Punkte im Versuchsraum gefunden werden, aus denen dann mit Hilfe einer Regressionsanalyse Belastungsmodelle und Grenzflächen erstellt werden können.

Schrittweise Erhöhung der Anpresskraft um 500 N

Bei der Ermittlung der Grenzfläche einer dynamischen Überbeanspruchung werden die Räder zunächst bei einer Anpresskraft von 11 kN vier Stunden lang angewärmt, um im Rad einen stationären Betriebszustand zu erreichen. Nach diesen vier Stunden wird die Anpresskraft alle 1,5 Stunden um 500 N erhöht, bis das Rad durch Überlastung ausfällt. Nach der Durchführung des Versuches werden alle Besonderheiten, wie zum Beispiel die Versagensursache und eine Fotografie des Versuchsrades, im Versuchsprotokoll festgehalten.

Im Gegensatz zu den Versuchen zur Bestimmung der dynamischen Belastungsgrenze wird bei den Schlupfversuchen eine Variation des Drehmomentes vorgenommen. Es findet eine kontinuierliche Steigerung des Drehmomentes um 5-Nm-Schritte in den Intervallabständen statt, bis ein Schlupf von 10% erreicht wird. Anschließend wird durch das Steuerungsprogramm die Anpresskraft automatisch erhöht, so dass der Schlupfwert wieder abnimmt. Insgesamt wird das Drehmoment von 200 Nm bis auf maximal 700 Nm gesteigert.

Bei der Durchführung der Versuche wurden vier unterschiedliche Versagensursachen festgestellt.

Durch die periodische Verformung des viscoelastischen Rades kommt es durch die Walkarbeit zu einer Erwärmung der Bandage. Als Folge der schlechten Leitfähigkeit des Kunststoffes kann die aufgebaute Wärme nicht schnell genug abgeführt werden, so dass sich ein Wärmestau in der Bandage bildet. Der Werkstoff schmilzt im Radinneren und tritt dann im flüssigen Zustand durch seitliches Aufplatzen der Radflanke nach außen. Diese dynamische Überbeanspruchung wird auch als „heat-build-up“ bezeichnet.

Bei dem Adhäsionsbruch kommt es zur Ablösung der Polyurethanbandage von der metallischen Radnabe. Die Adhäsion ist für die Bindung der Bandage an die Nabe verantwortlich. Der Belag kann sich entweder vollständig oder in Teilen von der Nabe lösen. Bricht die Bandage durch den Werkstoff selbst, so wird von einem Kohäsionsbruch gesprochen, da der Zusammenhalt innerhalb eines Werkstoffes auch als Kohäsionskraft bezeichnet wird.

Insbesondere bei der Übertragung von sehr hohen Drehmomenten kommt es zu einer Rissbildung auf der Radlauffläche. Als Ursache wird hier die lokale zulässige Spannungsüberschreitung des Bandagenwerkstoffes in der Kontaktfläche von Rad und Fahrbahn vermutet.

Die unterschiedlichen Schädigungsarten treten bei unterschiedlichen Belastungskonstellationen auf.

Das durch eine Regressionsanalyse ermittelte Belastungsmodell kann grafisch umgesetzt und in einfache Formeln, Diagramme und Tabellen überführt werden; so wird eine anwendungsorientierte Auslegung der beeinflussbaren Parameter möglich.

Es wurden insgesamt zwei Grenzen definiert, die von dem Drehmoment und der Anpresskraft sowie der Geschwindigkeit abhängen. Hierbei handelt es sich um die linke Grenze (Durchdrehen des Rades) und die rechte Grenze (dynamische Überlastung des Rades).

Durch den ermittelten Arbeitsbereich können erste Aussagen über das Verhalten der einzelnen Einstellparameter zueinander getätigt werden. Die Erkenntnisse aus den Experimenten werden nun in Form eines Radauslegungsprogramms zusammengefasst. Dieses Programm ermöglicht, zwei beliebige Größen einzugeben und daraus die dritte Größe zu errechnen. Bei der Programmierung des Radauslegungstools ist der Fokus auf die Anwenderfreundlichkeit gelegt worden.

Die Oberflächen der unterschiedlichen Radauslegungstools der Räderhersteller sind an das Layout der jeweiligen Firmen angelehnt, so dass diese ein individuelles Aussehen bekommen.

Bedarfsgerechte Auslegung ist jetzt erstmals möglich

Auf dem Gebiet von Rädern aus polymeren Werkstoffen mit viskoelastischen Eigenschaften existieren aus theoretischer Sicht zahlreiche Untersuchungen, die Aussagen über den Spannungs- und Temperaturzustand eines Rades in der Kontaktfläche zur Fahrbahn, im Inneren der Bandage und in der Teilfuge zwischen Bandage und Radnabe treffen. In der Praxis erfolgte die anforderungsgerechte Auslegung von Schwerlasträdern im Einsatz von logistischen Anlagen allerdings bisher nur mit Hilfe von unzureichenden Erfahrungswerten oder Grobauslegungs-Formeln, die auf Erfahrungswerten beruhen.

Diese Grobauslegung berücksichtigte ausschließlich eine Belastung durch eine Gewichtskraft beziehungsweise eine Anpresskraft. Andere Parameter, wie die Geschwindigkeit oder Antriebsmomente, wurden in der Vergangenheit kaum oder gar nicht berücksichtigt. Erstmalig wird durch dieses Forschungsprojekt ein Beitrag geleistet, auch angetriebene Schwerlasträder in modernen Förderanlagen bedarfsgerecht auslegen zu können. Bei der Auslegung von Anlagen mit diesen Schwerlasträdern können nun die ermittelten Randbedingungen berücksichtigt werden, was die Gefahr eines Versagens des Rades minimiert.

Um eine schnelle Orientierung der Konstrukteure und Anwender zu ermöglichen und ein mühsames Berechnen zu umgehen, wurden zusätzlich Diagramme bestimmt, mit deren Hilfe bestimmte Parameterkombinationen direkt ausgeschlossen werden können. Ein weiteres Hilfsmittel, das Radauslegungsprogramm, stellt die benutzerfreundlichste Umsetzung der Ergebnisse dar.

Prof. Dr.-Ing. Bernd Künne ist Leiter des Fachgebiets Maschinenelemente der TU Dortmund. Dr.-Ing. Aljoscha Langenohl war wissenschaftlicher Angestellter am Fachgebiet und arbeitet derzeit in der Entwicklung der SMS-Meer GmbH in Witten.

Bernd Künne und Aljoscha Langeno | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/materialflusslogistik/foerdertechnik/articles/125053/

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