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Ein Kunde spezifiziert ein Schneckengetriebe für eine Hubanwendung, weil Schneckengetriebe selbsthemmend sind und die Last daher nicht rückläufig laufen kann. Keine Bremse erforderlich – Kosten gespart.
Diese Argumentation findet sich in vielen Maschinendesigns und ist so gefährlich, dass sie in einem technischen AGMA-Papier ausdrücklich als Warnung erscheint:
Hinweis: Schneckengetriebe sollten nicht als selbsthemmend betrachtet werden. Unter bestimmten Lastbedingungen ist eine Rückwärtsbewegung des Schneckenrads möglich.
Ein etabliertes ingenieurtechnisches Nachschlagewerk formuliert dies noch deutlicher und nennt die Anwendung direkt:
In der Praxis sollte eine Schnecke nicht als Bremsvorrichtung für sicherheitsrelevante Systeme verwendet werden, z. B. für Hebezeuge. Bestimmte Werkstoff- und Betriebsbedingungen können zu einem Zurücklaufen (Backsliding) eines Schneckengetriebes führen.
Wenn Sie einen Hebezeug, einen Aufzug, ein Tor oder irgendetwas anderes entwerfen, bei dem ein herabfallendes Gewicht Personen verletzen könnte, benötigen Sie eine Bremse. Die Geometrie der Schnecke ist kein Ersatz dafür.
Hier ist die technische Begründung dafür.
Die Selbsthemmung hängt vom Verhältnis zwischen dem Steigungswinkel der Schnecke und dem Reibungswinkel ab. Veröffentlichte Formulierungen dieser Regel aus drei unabhängigen Quellen:
· Selbsthemmung tritt auf, wenn der Steigungswinkel der Schnecke gleich arctan(Reibungskoeffizient) ist, typischerweise im Bereich von 2 bis 8 Grad reichweite
· Wenn der Steigungswinkel kleiner als der Reibungswinkel ist, kann das Schneckenrad die Schnecke nicht rückwärts antreiben
· Die Bedingung lautet: Steigungswinkel < arctan(Reibungskoeffizient)
Alle drei Aussagen besagen dasselbe, nur in unterschiedlicher Notation. Unterhalb eines bestimmten Steigungswinkels widersteht der Antrieb einer Rückwärtsbewegung.
Das Kriterium verwendet einen Reibungskoeffizienten. Welcher Reibungskoeffizient?
Bei null Gleitgeschwindigkeit beträgt der veröffentlichte Wert 0.15. Dies ist der statische Wert und zugleich der höchste Wert. Sobald das Gleiten beginnt, sinkt der Reibungskoeffizient.
Eine Referenz weist darauf hin, dass der statische Koeffizient für die Selbsthemmungsgrenze maßgeblich ist, genau weil das Getriebe nicht in Gang gesetzt werden kann.
Dies ist der Mechanismus hinter den Ausfällen. Im Ruhezustand ist die Reibung hoch, und der Antrieb bleibt stehen. Durch Vibrationen entsteht Mikrobewegung. Diese Mikrobewegung verschiebt den Kontakt vom statischen in den dynamischen Zustand, bei dem die Reibung geringer ist. Der zur Lastaufnahme verfügbare Reibungswinkel verringert sich, und die Last beginnt zu kriechen.
Vibrationen sind keine exotische Bedingung. Eine benachbarte Maschine im Betrieb, ein Motor, der auf demselben Rahmen startet, oder ein Fahrzeug, das außerhalb des Gebäudes vorbeifährt – all dies kann die statische Selbsthemmung überwinden.
In der von uns gefundenen Fachliteratur existiert kein quantifizierter Vibrations-Abminderungsfaktor. Diese Abwesenheit ist an sich aussagekräftig: Die ingenieurtechnische Antwort lautet nicht, die Selbsthemmung abzumindern, sondern sich nicht auf sie zu verlassen.
Selbsthemmung und Wirkungsgrad sind zwei Aspekte derselben Geometrie. Ein Antrieb, der einer Rückwärtswirkung widersteht, ist ein Antrieb, der beim Vorwärtsbetrieb viel Energie verschwendet.
Wirkungsgrad des Schneckengetriebes in Abhängigkeit von der Anzahl der Gewindegänge. Das selbsthemmende Verhalten tritt nur im Bereich niedrigen Wirkungsgrads auf.
Die maßgebliche Formel:
η = tan(λ) / tan(λ + φ)
wobei λ der Steigungswinkel der Schnecke und φ der äquivalente Reibungswinkel ist.
Ein veröffentlichtes Rechenbeispiel: Für eine Einschnecken-Schnecke mit λ = 5 Grad und φ = 6 Grad beträgt der Wirkungsgrad 45,01 %.
Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Anzahl der Schnecken-Gewindegänge:
| Schnecken-Typ | Veröffentlichter Wirkungsgrad |
| Einschnecken | 40 bis 50 % |
| Einzelstart, gute Bedingungen und hohe Bearbeitungsgenauigkeit | 50 bis 70 % |
| Doppelstart | 70 bis 78 % |
| Mehrfachstart | 78 bis 92 % |
Für hochwirksame Konstruktionen beträgt der empfohlene Steigungswinkel 10 bis 20 Grad . Beachten Sie, dass dies deutlich oberhalb des selbsthemmenden Bereichs von 2 bis 8 Grad liegt. Beides gleichzeitig ist nicht möglich.
Eine Referenz gibt den Gesamtwirkungsgrad mit 98 % bei den niedrigsten Übersetzungsverhältnissen bis hin zu 20 % bei den höchsten an. Eine andere Quelle nennt 50 bis 90 %, abhängig vom Steigungswinkel, der Anzahl der Starts und der Reibung.
Der Kompromiss ist unvermeidlich: selbsthemmung kostet Sie mehr als die Hälfte Ihrer Eingangsleistung.
Falls Sie selbsthemmendes Verhalten benötigen:
· Einzelgang, kleiner Steigungswinkel, 40 bis 50 % Wirkungsgrad
· Dimensionieren Sie den Motor für die Verluste, nicht nur für die Last
· Dimensionieren Sie das Getriebe für die Wärmeabfuhr, da die verlorene Leistung in Wärme umgewandelt wird
·Montieren Sie trotzdem eine Bremse falls die Folge einer Rückwärtsdrehung Verletzungen oder Schäden zur Folge hätte
Falls Sie hohe Effizienz benötigen:
· Mehrgang, Steigungswinkel von 10 bis 20 Grad, 78 bis 92 %
· Akzeptieren Sie, dass der Antrieb rückläufig betrieben wird
· Montieren Sie eine Bremse, ein Gegengewicht oder verwenden Sie einen anderen Getriebetyp
Falls Sie beides benötigen, ist das Schneckengetriebe die falsche Wahl. Erwägen Sie stattdessen ein Stirn- oder Kegel-Stirn-Getriebe mit einer geeigneten Haltebremse.
Schneckengetriebe sind üblicherweise thermisch begrenzt statt mechanisch begrenzt . Die Zähne könnten ein höheres Drehmoment übertragen, als das Gehäuse als Wärme ableiten kann.
Dies folgt unmittelbar aus den obigen Wirkungsgradangaben. Ein Einschrauben-Schneckengetriebe mit 45 % Wirkungsgrad wandelt mehr als die Hälfte seiner Eingangsleistung in Wärme innerhalb eines kleinen Gehäuses um. Daher geben Kataloge für Schneckengetriebe eine thermische Nennleistung gesondert von der mechanischen Nennleistung an – und die thermische Nennleistung ist häufig die maßgebliche Begrenzung.
Praktische Folgen:
· Dauerbetriebswerte liegen deutlich unter den Kurzzeitwerten
· Die Umgebungstemperatur spielt eine Rolle; ein Getriebe, das für einen 20-Grad-Werkstattbetrieb ausgelegt ist, verhält sich anders in einem 40-Grad-Maschinenraum
· Erzwungene Kühlung oder ein größeres Gehäuse ist oft günstiger als die Bewältigung vorzeitigen Ausfalls
Einstufige Schneckengetriebeabdeckungen 5:1 bis 75:1 laut einer Quelle, während eine andere Quelle für speziell für große Übersetzungen verwendete Schneckengetriebe 5:1 bis 300:1 angibt.
Die hohe Übersetzungsrate in einer einzigen Stufe ist der echte Vorteil von Schneckengetrieben – zusammen mit der rechtwinkligen Anordnung und dem geräuscharmen Lauf infolge des Gleitkontakts. Das sind die Gründe für ihre Auswahl. Selbsthemmung sollte nicht auf dieser Liste stehen.
Bei einem Standard-Normaldruckwinkel von 20 Grad sollte der Steigungswinkel unterhalb von 25 Grade .
Schneckenräder laufen aus Bronze gegen eine gehärtete Stahl-Schnecke. Der Grund hierfür ist der Gleitkontakt: Schneckengetriebe gleiten statt zu rollen; daher benötigt das Paar unterschiedliche Werkstoffe mit guten Gleit- und Einbettesteigenschaften. Bronze gegen Stahl ist die bewährte Kombination.
Die Schnecke ist gehärtet und geschliffen; das Rad ist die verschleißbehaftete Komponente. Dies ist beabsichtigt. Wenn der Antrieb verschleißt, ersetzen Sie das günstigere und einfachere Teil.
Die Umfangsgeschwindigkeit an der Teilungslinie kann unter idealen Bedingungen 30 m/s erreichen, doch die meisten industriellen Schneckengetriebe laufen weit darunter.
Kann ich ein Schneckengetriebe verwenden, um eine Last ohne Bremse zu halten?
Nicht dort, wo ein herabfallendes Gewicht Schaden verursachen kann. Die offiziellen Richtlinien der AGMA sowie etablierte technische Nachschlagewerke erklären ausdrücklich, dass Schneckengetriebe nicht als selbsthemmend betrachtet werden dürfen, und warnen speziell davor, sie als Bremsvorrichtungen in Hebezeugen einzusetzen.
Mein Schneckengetriebe hält seit Jahren eine Last ohne Abrutschen. Ist es dann nicht selbsthemmend?
Es ist unter den aktuellen Bedingungen statisch selbsthemmend. Ändern Sie das Schmiermittel, lassen Sie das Getriebe verschleißen, fügen Sie Vibrationen durch neue Maschinen hinzu oder erhöhen Sie die Last – und diese Eigenschaft kann sich ändern. Selbsthemmung ist ein Zustand, keine Eigenschaft.
Warum läuft mein Schneckengetriebe so heiß?
Weil Schneckengetriebe ineffizient sind und die verlorene Leistung in Wärme umgewandelt wird. Prüfen Sie, ob Sie innerhalb der thermischen Belastbarkeit und nicht nur innerhalb der mechanischen Belastbarkeit liegen; diese Werte unterscheiden sich, und meist ist die thermische Belastbarkeit die einschränkende Größe.
Würde eine zweigängige Schnecke mein Effizienzproblem lösen?
Sie würde die Effizienz von 40 bis 50 % auf 70 bis 78 % anheben. Gleichzeitig entfällt jegliches Selbsthemmverhalten. Stellen Sie sicher, dass keine Komponente der Maschine davon abhängt.
Welche Effizienz soll ich für die Motorbemessung verwenden?
Verwenden Sie den Wert für Ihr spezifisches Übersetzungsverhältnis und Ihre Ganganzahl aus den Angaben des Getriebherstellers – nicht einen allgemeinen Richtwert. Die Bandbreite der Effizienzwerte bei Schneckengetrieben ist so groß, dass eine pauschale Annahme zu einer falschen Motorbemessung führt.
Ist Bronze die einzige Option für das Schneckenrad?
Sie ist aus gutem Grund Standard, doch die konkrete Bronzesorte hängt von der Einsatzart ab. Geben Sie die genaue Legierung gemeinsam mit Ihrem Getriebelieferanten an – basierend auf Last, Drehzahl und Betriebszyklus.
Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. fertigt Schnecken- und Schneckenrad-Sätze mit Bronze-Rad gegen gehärteten, geschliffenen Stahl-Schnecken in ein- und mehrgangigen Ausführungen. Teilen Sie uns das Übersetzungsverhältnis, den Betriebszyklus und die Anforderung an die Selbsthemmung mit – dann sagen wir Ihnen ehrlich, ob eine Schneckengetriebe-Lösung für Ihre Last geeignet ist.