FTS mit kleinstem Bauraum und höchster Energiedichte

Erstmals wurde ein Antriebssystem für FTS realisiert, das nicht nur durch sein Nabengetriebe auffällt. Der bürstenlose Gleichstrom-Motor integriert alle notwendige Elektronik und hat über 90% Wirkungsgrad.

In Produktions- und Distributionsbetrieben gibt es seit vielen Jahren die Forderung nach kurzen Durchlaufzeiten, geringen Beständen und hoher Flexibilität. Zur Erreichung dieser Ziele sind vielfältige organisatorische Maßnahmen und der Einsatz technischer Mittel möglich beziehungsweise erforderlich.

Im Bereich der technisch-operativen Logistik sind es die Prozesse und Betriebsmittel des innerbetrieblichen Materialflusses, die geeignet gestaltet werden müssen. Hier erweisen sich fahrerlose Transportsysteme (FTS) als äußerst wirtschaftlich und produktiv. Beispielsweise verteilen sie kommissionierte Waren in weitläufigen Lager- und Speditionshallen. Die häufig auch als Automatic Guided Vehicle (AGV) bezeichneten Fahrzeuge dienen auch dazu, in Montage- und Fertigungshallen einzelne Bauteile und vorgefertigte Komponenten zu weiteren Montage- und Bearbeitungsstationen zu transportieren. Meist arbeiten sie autark.

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Mit ausgeklügelter Sensorik orientieren sie sich in der Umgebung. Ihre Fahrwege und -ziele sind programmiert und gespeichert. Die elektrische Leistung für den Fahrantrieb stellen im Fahrzeug mitgeführte aufladbare Akkus bereit.

Kompakte Fahrzeuge für lange Nutzungszeiten

Besonders produktiv und wirtschaftlich arbeiten die AGV (oder FTS), wenn sie lange Fahrwege und -zeiten ohne wiederholtes Aufladen der mitgeführten Energiespeicher erreichen. Das stellt besondere Forderungen an die Konstruktion und die Ausführung. Insbesondere müssen die Fahrzeuge und die darin eingebauten Komponenten leicht und kompakt sein.

Speziell vom Antriebssystem fordern die Hersteller der AGV eine hohe Leistungsdichte und Energieeffizienz. Insbesondere in den zunehmend kleineren Shuttle-Fahrzeugen für Verteilsysteme in Warenlagern steht für die Antriebe nur wenig Bauraum zur Verfügung. Die üblichen Antriebseinheiten mit axial angereihten Elektromotoren und mehrstufigen Stirnrad- und Planetengetrieben lassen sich dort aufgrund ihrer Baulänge nicht einbauen.

Den Forderungen der AGV-Hersteller entsprechend haben der Eisenbacher Getriebehersteller Framo Morat und der Bonndorfer Motorenhersteller Dunkermotoren ein besonders kompaktes Gleichstrom-Antriebssystem entwickelt und verwirklicht. Er ist vor allem durch das von Framo Morat konzipierte Nabengetriebe charakterisiert.

Diese Getriebebauform wird erstmals in einem Fahrantrieb für AGV verwendet. Wolfgang Sühling leitet beim Eisenbacher Getriebehersteller die Entwicklung kundenspezifischer Antriebe: „Neben der kompakten Bauweise hat diese Getriebeausführung weitere entscheidende Vorteile, insbesondere für die in Shuttle-Fahrzeugen häufig eingebauten Rad- und Zahnriemenantriebe“, betont er, „in konventionell ausgeführten Rad- oder Riemenantrieben, die eine Planetengetriebe- oder Stirnradgetriebeeinheit nutzen, wirken aufgrund der Lasteinleitung in die auskragende Welle große Radiallasten auf die Lagerung. Dem müssen die im Getriebe eingebauten Wälzlager widerstehen.“

Die üblichen Wellenlagerungen mit Rillenkugellagern oder mit vorgespannten Kegelrollenlagern haben allerdings einige entscheidende Nachteile.

Sühling: „Bei eng hintereinander angeordneten Rillenkugellagern führen am auskragenden Wellenende wirkende Radiallasten zu hohen Lagerbelastungen und aufgrund des Lagerspiels in Verbindung mit dem konstruktionsbedingt kurzen Lagerabstand außerdem zu einer Schrägstellung der Abtriebswelle und einzelner Getriebekomponenten, zum Beispiel der Planetenträger. Dadurch verschleißen die Getriebe sehr rasch und gewährleisten nicht die geforderte Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Außerdem verursacht die Schrägstellung eine erhöhte Geräuschemission. Paarig vorgespannte Kegelrollenlager nehmen zwar problemlos größere Radiallasten auf, haben aber speziell im Teillastbereich größere Lagerverluste als Rillenkugellager. Zudem bauen sie größer und sind schwerer als Rillenkugellager.“

Deshalb suchten die Getriebespezialisten im Schwarzwald nach einer Alternative zu den üblichen, am Elektromotor angeflanschten Stirnrad- und Planetengetrieben.

Kompakte Bauform bewältigt problemlos große radiale Kräfte

Im nunmehr realisierten Nabengetriebe nehmen Standard-Rillenkugellager die hohen radialen Lasten auf. Die Bezeichnung dieser Getriebebauart weist schon auf die besonderen Konstruktionsmerkmale hin. Das komplette Getriebe lässt sich in einer schmalen Radnabe unterbringen.

Die Antriebs- und die Abtriebswelle sind bei dieser Getriebebauform koaxial ineinander angeordnet. Die radialen Kräfte werden über die Hohlwelle nahezu mittig zwischen den beiden Kugellagern eingeleitet. Der kleine Abstand zwischen den Kugellagern wirkt sich positiv auf die Biegesteifigkeit der hohlen Abtriebswelle aus, die sich laut Sühling kaum durchbiegt.

Zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle überträgt ein Planetengetriebe die Drehmomente. Es sorgt für die erforderlichen Übersetzungsverhältnisse der Drehzahlen zwischen Antriebs- und Abtriebsseite. Diese betragen bei den angebauten, elektronisch angesteuerten DC-Motoren des Herstellers Dunkermotoren meist zwischen i=20 und i=30. Aufgrund der nur unwesentlichen Schrägstellung des Planetenträgers läuft das Getriebe sehr geräuscharm.

Um das gesamte Antriebspaket besonders kompakt auszuführen, verbindet ein Kegelradgetriebe den DC-Motor mit der Eingangswelle des Nabengetriebes. „Mit dieser Kombination realisieren wir den kleinsten Bauraum und die höchste Energiedichte“, konstatiert Stefan Tröndle, Product Manager bei Dunkermotoren in Bonndorf, „aus der Kombination unserer bürstenlosen, elektronisch angesteuerten DC-Motoren mit über 90% Wirkungsgrad und den sehr leichtgängigen, verlustarmen Kegelrad- und Planetengetrieben verwirklichen wir für das komplette Antriebssystem einen sehr hohen Wirkungsgrad und somit eine hohe Energieeffizienz. Damit trägt dieses Antriebssystem entscheidend dazu bei, dass die Shuttle-Fahrzeuge besonders wirtschaftlich arbeiten.“

Individuell modular mit integrierter Elektronik

Die Antriebseinheiten werden nach individuellen Forderungen der FTS-Hersteller konfiguriert. Dabei sorgt das beim Motoren- und beim Getriebehersteller bestehende Baukastensystem für kurze Lieferzeiten und wirtschaftliche Investitionen. Aus standardisierten Baustein-Komponenten kombinieren die beiden Antriebshersteller das jeweils bedarfsgerechte Antriebssystem.

Von Dunkermotoren gibt es dafür elektronisch kommutierte DC-Motoren der Baureihe BG. Je nach Ausführung arbeiten diese mit 10 bis 60 V Gleichspannung. Bei 24 V Versorgungsspannung stellen sie auf Dauer 1100 W Antriebsleistung bereit, kurzzeitig erreichen sie bis zu 2600 W. Über die Ausführungen mit integrierter Kommutierung hinaus stehen Varianten mit eingebauter Drehzahlregelung oder mit Positionierelektronik zur Verfügung.

In der eingebauten Elektronik lassen sich beispielsweise komplette Fahrprofile speichern. Zur Datenkommunikation mit übergeordneten Steuerungen sorgen CANopen, Profibus oder EtherCAT. Als modulare Komponenten bietet Dunkermotoren zur jeweiligen Baugröße passende Bremsen. Als Option kann der Motorenhersteller über Software und Motorsteuerung die Funktion Safe-Torque-Off (STO) verwirklichen. Das gewährleistet einen sicheren Betrieb der Antriebe, um in kritischen Situationen Gefahren für Sachen und Personen zu vermeiden.

Die von Framo Morat konzipierten Nabengetriebe basieren auf der Baureihen PS und PL mit nominalen Drehmomenten bis 350 Nm. Die Außenkontur der Abtriebswelle sowie die Drehmomentstütze werden entsprechend den Anforderungen gestaltet, z.B. mit Standardverzahnung für Zahnriemen, kundenspezifischer Welle-Nabe-Verzahnung oder als glatte Welle mit Flanschbohrungen für eine Radfelge.

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