Das Zahnradvorgelege. Das Zahnradvorgelege. Seit dem Gewaltfrieden von Versailles ist die Kohlenbeschaffung für die deutsche Wirtschaft so eingeengt worden, daß die bestmögliche Ausnutzung unserer noch vorhandenen Brennstoffvorräte ein zwingendes Gebot der Stunde ist. Deutschland zeigt außerdem in bezug auf seine Kohlenversorgung dadurch ein ungünstiges Gepräge, daß seine Lagerstätten an Steinkohle in der Nähe der Landesgrenzen liegen. Die hohen und noch steigenden Transportkosten auf dem Schienenwege werden auch in Zukunft die Kohlenpreise ungünstig beeinflussen. Der Begriff der Wirtschaftlichkeit einer Wärmekraftanlage bezieht sich aber nicht allein auf die sparsame Verwertung des Brennstoffes, sondern auch die Anschaffungskosten, den Werkstoffaufwand, die Unterhaltungskosten und in vielen Fällen auch auf den Gewichts- und Raumbedarf. Hohe Wirtschaftlichkeit verlangt bei Verwendung von Dampfturbinen auch hohe Drehzahlen. Hohe Geschwindigkeiten lassen sich aber in den meisten Fällen nicht unmittelbar verwerten, wenn die wirtschaftlichen Drehzahlen der treibenden Maschine und der angetriebenen Teile zu verschieden sind. Durch die Anordnung eines Uebersetzungsgetriebes wird in solchen Fällen ermöglicht, für die Drehzahlen der Kraft- und Arbeitsmaschinen die günstigsten Verhältnisse zu wählen. Man hat bereits hydraulische, elektrische und mechanische Uebersetzungsarten erprobt. Die hydraulischen Uebersetzungen haben bekanntlich den Nachteil eines beschränkten Uebersetzungsbereiches und geringen Wirkungsgrades. Trotz kostspieliger Versuche haben bis jetzt solche Anordnungen enttäuscht. Die in letzter Zeit mehr und mehr in Anwendung gekommene elektrische Uebertragung ergibt größere Verluste, als die mechanische Umformung. Ihr Hauptanwendungsgebiet wird wohl in Zukunft der Schiffsschraubenantrieb sein. Damit hat man im Auslande, besonders in Amerika, in Kriegs- und Handelsmarine gute Erfahrungen gemacht. Im Wettstreit der drei Energieumformungen hat die mechanische Uebertragung eine überragende Bedeutung gewonnen. Der erste Anwendung von Zahnradvorgelegen bei Turboantrieb hat der Erfinder der Dampfturbine de Laval gegeben. Bei seinen Turbinen liegen die Umdrehungszahlen zwischen 10000–30000 Uml./min. Hauptsächlich handelt es sich bei der Mehrzahl der Fälle um Herabsetzung der Drehzahl, wie beim Antrieb von Stromerzeugern, Schiffsschrauben usw. In letzterer Zeit finden sich aber auch Anwendungen für die Uebersetzung ins Schnelle, wie bei durch Elektromotoren angetriebenen Pumpen und Gebläsen oder beim Antrieb von rasch laufenden Dynamos durch Wasserturbinen mit geringer Drehzahl. Je nach der Drehzahl der Antriebsmaschine und der getriebenen, Teile sind die Vorgelege ein- oder zweistufig. Bis zu einem Uebersetzungsverhältnis von 25 : 1 werden die Vorgelege in einstufiger Bauart ausgeführt. Zweistufige Getriebe können die Drehzahl ohne Schwierigkeit im Verhältnis von 150 : 1 und darüber umändern. Die Wirtschaftlichkeit einer Dampfturbine wird um so größer und ihre Bauart um so einfacher, je höher ihre Drehzahl ist. Die wirtschaftlichsten Umlaufzahlen liegen aber häufig höher als die bisher im allgemeinen angewandten Drehzahlen. Bei Zwischenschaltung von Zahnradvorgelegen, die einen sehr hohen Wirkungsgrad haben, sind Turbinen kleiner Leistung ebenso wirtschaftlich wie große, die die Arbeitsmaschinen unmittelbar antreiben. Dadurch können nun Dampfturbinen auch für solche kleine Leistungen in Betracht kommen, für die bisher ausschließlich Kolbenmaschinen verwendet wurden. Die A. E. G. hat den Bau von hochwertigen Zahnradvorgelegen bereits vor Jahren aufgenommen. Die folgenden Abbildungen sind einem Vortrag entnommen, der von Direktor Dipl.-Ing. Dr. Kraft vor kurzem über dieses Thema gehalten wurde. Die Abb. 1 stellt eine Turbodrehstromdynamo für Kondensationsbetrieb von 1100 kW dar. Die Turbine läuft mit 7000, die Dynamo mit 3000 Uml./min. Das Zahnradvorgelege vermindert die Drehzahl der Turbine somit im Verhältnis 2,33 : 1. In Abb. 2 ist eine Turbo-Einphasenwechselstromdvnamo mit 8000 kW Normal- und 12000 kW. Ueberlastleistung für ein Bahnkraftwerk dargestellt. Die Dynamo läuft mit 1000, die Antriebsturbine mit 3000 Uml./min. Die Turbine ist für vereinigten Frischdampf- und Speicherdampfbetrieb eingerichtet. Die Ueberlast von 16000 PSe. ist bisher die größte mit einem Ritzel übertragene Leistung. Die Umfangsgeschwindigkeit dieses Getriebes beträgt rund 70m/sek. Durch Verwendung eines Zahnradvorgeleges werden die Abmessungen verkleinert, der Gesamtwirkungsgrad der Anlage wird erhöht, wobei noch erreicht wird, daß die wirtschaftliche Turbinendrehzahl an die Frequenzzahl des Stromerzeugers angepaßt werden kann. Textabbildung Bd. 339, S. 246 Abb. 1. Turbo-Triebdynamo für Kondensationsbetrieb. Turbine; Zahnradvorgelege; Drehstromdynamo; Kondensationsleitung; Frischdampfleitung. Textabbildung Bd. 339, S. 246 Abb. 2. Turbo-Triebdynamo für Frischdampf-, Speicher-, Kondensationsbetrieb. Turbine; Zahnradvorgelege; Drehstromdynamo; Kondensationsleitung; Frischdampfleitung; Speicherdampfleitung. Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Zahnradvorgelege sind die sogenannten Vorschaltturbinen. Um die Wirtschaftlichkeit einer Dampfkraftanlage zu erhöhen, ist man in neuerer Zeit dazu übergegangen, den Betriebsdruck bedeutend zu erhöhen. Versuchsanlagen mit Arbeitsdrücken mit 100 at und darüber sind in letzter Zeit mehrfach ausgeführt worden. Die HD-Turbine muß dann entsprechend dem geringen Rauminhalt hochgespannten Dampfes ganz geringe Abmessungen erhalten und läuft mit sehr hoher Drehzahl. Die ND-Turbine dagegen, die mit großem Dampfvolumen arbeitet, läuft mit niedriger Drehzahl. Um beide Turbinen auf eine Welle arbeiten zu lassen, wird die Drehzahl der HD-Turbine vorteilhaft durch ein Zahnradvorgelege vermindert. Auch für vorhandene Anlagen mit normalen Dampfdrücken bietet die Hinzufügung von HD-Vorschaltturbinen ein willkommenes Mittel, die Wirtschaftlichkeit und die Leistung bestehender Dampfturbinenanlagen zu erhöhen. Der notwendige Umbau erfordert nur wenig Zeit, so daß mit einer kurzen Betriebsunterbrechung zu rechnen ist. Der früher stark vernachlässigte Ausbau der heimischen Wasserkräfte wird durch den Kohlenmangel und das Bestreben die Kohleneinfuhr aus dem Auslande auf ein Mindestmaß zu beschränken, mächtig gefördert. Da bei Wasserturbinen meist mit geringem Gefälle zu rechnen ist, erhält man nur geringe Drehzahlen. Bei unmittelbarer Verbindung mit dem Stromerzeuger wäre eine entsprechend große, schwere und somit auch teuere Dynamo notwendig. Deshalb ist es auch hier zweckmäßig, zwischen Wasserturbine und Stromerzeuger ein Zahnradvorgelege einzuschalten, um bei langsamlaufenden Turbinen gute Wirkungsgrade und billige, wenig Platz erfordernde schnellaufende Generatoren verwenden zu können. Abb. 3 zeigt den Aufbau einer solchen Anlage senkrechter Bauart. Das Zahnradvorgelege ist als Stirnradgetriebe mit Pfeilverzahnung ausgebildet. Die für diesen Zweck üblichen Uebersetzungsverhältnisse sind 10 : 1 bis 15 : 1. Das Gewicht des Turbinenläufers und des Getrieberades wird durch ein am oberen Ende der Radwelle angeordneten Einring-Drucklager mit beweglichen Druckklötzen aufgenommen. Die strichpunktierten Linien in Abb. 3 zeigen den Raumbedarf eines Generators gleicher Leistung ohne Vorgelege. Textabbildung Bd. 339, S. 247 Abb. 3. Raumbedarf eines Generators gleicher Leistung, senkrechter Aufbau. Dynamo; Wasserturbine; Zahnradvorgelege; Drucklager. Gebläse werden häufig durch langsam laufende Elektromotoren angetrieben. Zur Erhöhung der Drehzahlen werden Zahnradvorgelege eingeschaltet. Es sind bereits Gebläse mit etwa 6000 Uml./min. ausgeführt, die über Zahnradvorgelege durch Motoren von 1500 Uml./min. angetrieben werden. Auch Pumpen verschiedener Art können auf diese Weise angetrieben werden. Abb. 4 zeigt die gedrängte Anordnung eines Kondensationspumpensatzes, bei dem die einzelnen Pumpen mit ihrer günstigsten Drehzahl angetrieben werden. Der Antrieb kann dabei wahlweise durch eine Dampfturbine oder einen Elektromotor erfolgen. Textabbildung Bd. 339, S. 247 Abb. 4. Kondensationspumpengruppe für elektrischen Dampfbetrieb. Elektromotor; Kühlwasserpumpe; Strahlwasser umpe.; Zahnradvorgelege; Kondensatpumpe; Turbine. Textabbildung Bd. 339, S. 247 Abb. 5. Wärmeausnutzung in Schiffsmaschinen. Heißdampf-Kolbenmaschine; Heißdampf-Triebturbine; Olmaschine. Eine besonders häufige Anwendung findet das Zahnradvorgelege beim Schiffsantrieb. Hier ist der Unterschied zwischen der wirtschaftlichen Drehzahl der Antriebsmaschine und der getriebenen Schiffsschraube besonders groß. Unmittelbar wirkende Turbinen kommen für den Schiffsantrieb nicht mehr in Frage. Im Kriegsschiffbau hat die Dampfturbine die Kolbenmaschine bereits verdrängt. Für die hohe Fahrgeschwindigkeit von Torpedobooten, sowie den großen Maschinenanlagen von Schlachtkreuzern und Linienschiffen werden nur raschlaufende Dampfturbinen angewandt, welche die Schrauben mit Hilfe von Zahnradvorgelegen antreiben. Hier handelt es sich bei Vierschraubenantrieb um Maschinenleistungen bis 200000 PSe. Auch die langsam fahrenden Frachtdampfer können nun mit Hilfe des Zahnradvorgeleges durch Turbinen angetrieben werden. Die Abb. 5 zeigt die Wärmeausnutzung einer gewöhnlichen Schiffs-Heißdampfkolbenmaschine. Hier werden für die Fortbewegung des Schiffes nur etwa 9 v. H. nutzbar gemacht. Da der Turbinenantrieb einen höheren thermischen Wirkungsgrad besitzt so ist hier dementsprechend der Wirkungsgrad 11,7 v. H. und bei Dieselmaschinen 20,6 v. H. Bei der Kolbenmaschine und Dieselmaschine ist die Umsteuerbarkeit ohne weiteres gegeben, während bei Dampfturbinen, auch solchen mit Zahnradvorgelege, die Umsteuerbarkeit erst durch Anordnung einer besonderen Rückwärtsturbine möglich ist. Bei der Raum und Personal sparenden Schiffsdieselmaschine darf aber nicht unerwähnt bleiben, daß die Anschaffungskosten entsprechend hohe sind. Für Handelsschiffe höherer Geschwindigkeit, wie Fahrgastdampfer, können wegen der höheren Drehzahlen der Schrauben einstufige Getriebe verwendet werden. Abb. 6 ist der Grundriß eines Zahnradvorgeleges für einen solchen Zweischraubendampfer. Jede Schraubenwelle wird durch eine Turbine von 1500 PSe. angetrieben. Die Zahnradvorgelege sind einstufig, die Drehzahl der Turbinen beträgt 3750, die der Schrauben 350 Uml./min. Das Uebersetzungsverhältnis ist somit 10,7 : 1. Abb. 7 zeigt die Maschinenanlage für ein Einschraubenschiff mit 700 PSe. Es sind 2 Turbinen vorhanden, die je die halbe Leistung entwickeln und auf ein gemeinsames zweistufiges Zahnradvorgelege arbeiten. Die Turbinen laufen mit 6000 Uml./min., die Zwischenwellen mit 875 und die gemeinsame Schraubenwelle mit 94 Uml./min. Das gesamte Uebersetzungsverhältnis des Getriebes ist somit 64 : 1. Textabbildung Bd. 339, S. 248 Abb. 6. Schiffszahnradvorgelege, einstufig. Grundriß. Gehäuse-Unterteil; Bolzenkupplung; Ritzel; Rad; Radwelle; Ritzellager; Radwellenlager; Drucklager. Textabbildung Bd. 339, S. 248 Abb. 7. Schiffstriebturbine, Zweiturbinen-Anordnung für Einwellenschiff im Prüffeld (geöffnet). Die großen Vorteile des mittelbaren Antriebes können auch bei Oelmaschinen verwendet werden, welche dann mit höherer Drehzahl als bisher laufen können. Abb. 8 stellt eine Anlage von 4 Vierzylinder-Oelmaschinen von je 550 PSe. und 200 Uml./min. dar, die ein gemeinsames Zahnradvorgelege mit 90 Uml./min. antreiben. Weitere Anwendungsgebiete für Zahnradvorgelege sind: Turbolokomotiven, Triebwagen, Walzenstraßen, Bergwerks-Spinnerei- und Webereimaschinen, Papiermühlen usw. Textabbildung Bd. 339, S. 248 Abb. 8. Triebölmaschine Nächst der Genauigkeit der Verzahnung beeinflußt den ruhigen Gang eines Getriebes die Lagerung der Verzahnungsteile. Diese wird im allgemeinen vollkommen unnachgiebig ausgebildet, so daß die Wellen jederzeit parallel bleiben, die Verzahnung ihre ursprüngliche richtige Form behält und das Getriebe dauernd zufriedenstellend arbeitet. Demgegenüber kann nachgiebige Lagerung die Größe des Zahndruckes verändern und zu Schwingungen Veranlassung geben, die bei Vorhandensein von Resonanz Störungen verursachen. Ungenaue Herstellung der Verzahnung, Durchbiegung und Verdrehung der Ritzelwellen, Wärmewirkung und ungenaue Einstellung beim Zusammenbau können die ungleiche Druckverteilung auf den Zahnflanken noch vergrößern. Beweglich gelagerte Ritzel oder nachgiebig ausgebildete Räder werden daher kaum noch verwendet. Die Zähne der Ritzel werden im allgemeinen aus dem Vollen herausgeschnitten, auf die Räder besondere nahtlos gewalzte Stahlkränze warm aufgezogen. Der Radkörper aus Gußeisen oder Stahlguß wird auf die Welle aufgepreßt und meistens durch Schrumpfringe gesichert. Radiale Versteifungsrippen gehen nicht bis an den äußeren Kranz, damit sie die Zahnkränze nicht unrund machen. Die Kränze von größeren Rädern sind an mehreren Stellen geschlitzt, um Gußspannungen zu vermeiden, die ein Verziehen der Räder im Betriebe verursachen. Für die Verzahnung kommt hauptsächlich Elektrostahl, Kohlenstoffstahl, Stahl mit geringem Nickelgehalt und Chromnickelstahl in Frage. Dementsprechend kommt für Ritzel Sonderstahl bzw. Chromnickelstahl mit 70 bzw. 85 kg/mm2 Bruchfestigkeit, 45 bzw. 50 kg/mm2 Streckgrenze und 18,5 bzw. 15,5 v. H. Dehnung und für die Radverzahnung von 52–70 kg/mm2 Bruchfestigkeit, 32–35 kg/mm2 Streckgrenze und 24,5 bis 22,5 v. H. Dehnung in Frage. Textabbildung Bd. 339, S. 249 Abb. 9. Mittlerer Zahndruck in Abhängigkeit vom Durchmesser des Ritzels. Der Wirkungsgrad von neuzeitlichen Zahnradvorgelegen ist sehr hoch. Die Reibungsverluste einschließlich der Lagerverluste können bei einstufigen Getrieben auf 1–2 v. H., bei zweistufigen auf 3–4 v. H. der zu übertragenden Leistung verkleinert werden. Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit von Zahnradvorgelegen ist durch die Genauigkeit der Verzahnung begrenzt. Geschwindigkeiten von 60 m/sek. und darüber sind zulässig. Die Lebensdauer der Getriebe hängt von dem Flüssigkeitsdruck des Schmiermittels zwischen den Zahnflanken ab. Ist der Flüssigkeitsdruck so groß, daß der ganze Zahndruck durch die Schmierschicht übertragen wird, so kann keine Abnutzung eintreten. Es kommt hier fast ausschließlich die Evolventen-Verzahnung in Betracht, da sie den Vorteil einfacher und genauer Herstellung besitzt und für die Herstellung beliebiger Zähnezahlen nur ein Werkzeug erforderlich ist. Außerdem ist die Evolventenverzahnung gegen Unterschiede der Achsenentfernung unempfindlich. Die Stirnradverzahnung kann niemals vollkommen geräuschlos arbeiten, da die Anzahl der gleichzeitig in Eingriff befindlichen Zähne ständig wechselt, und die Belastung der Zähne bei Beginn des Eingriffes sofort mit der vollen Stärke auf der ganzen Breite des Zahnes auftrifft, ebenso wie die Entlastung der Zähne am Ende des Eingriffes ganz plötzlich und ohne Uebergang erfolgt. Aus diesen plötzlichen Belastungsschwankungen ergeben sich plötzlich auftretende, geringe elastische Formänderungen der Zähne, die Massenschwingungen von gewisser Größe erzeugen. Diese übertragen sich auf die Luft und es entstehen Tonschwingungen. Bei Pfeilverzahnungen dagegen kommen stets mehrere Zähne gleichzeitig in Eingriff, so daß hier ein geräuschloser Gang erreicht wird. Zwischen den Zahnflanken muß für die Wärmedehnung im Betrieb und für das Schmieröl genügendes Spiel vorhanden sein. In Abb. 9 sind für mittlere Verhältnisse die zulässigen Grenzen der Zahndrücke bezogen auf 1 cm Verzahnungsbreite in Abhängigkeit vom Ritzeldurchmesserr aufgetragen. Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Bestimmung der Abmessungen ist das Verhältnis der Breite der Verzahnung zum Ritzeldurchmesser. Dieses Verhältnis sollte, um zu große Durchbiegungen zu vermeiden, möglichst 2 : 1 nicht überschreiten. Die Herstellung der Verzahnung erfolgt fast stets nach dem Abwälzverfahren, entweder durch Fräsen oder Hobeln. Beim Fräsbetrieb ist die Verwendung von Vor- und Fertigfräsen allgemein üblich. Der Unterschied der einzelnen Zahnteilungen soll nicht über 5 Sekunden betragen. Dies entspricht bei einem Raddurchmesser von 1000 mm ungefähr 1/10 m/m. Die Genauigkeit der Verzahnung ist mit empfindlichen Meßvorrichtungen zu überprüfen. Eine solche zeigt Abb. 10. Sie besteht aus zwei festen Anschlägen, die beim Messen den Grund der Zahnlücken berühren, ferner aus einem Anschlag, der auf den Teilkreis der Verzahnung eingestellt wird, und aus dem drehbaren Meßhebel, dessen Lage an der eingeschalteten Meßuhr abgelesen werden kann. Textabbildung Bd. 339, S. 249 Abb. 10. Vorrichtung zum Ueberprüfen der Genauigkeit von Verzahnungen. Textabbildung Bd. 339, S. 249 Abb. 11. Zusammenhang zwischen Teilungsfehler und Tonhöhe des Geräusches von Zahnradgetrieben. Aus Abb. 11 ist der durch Versuche an einem Getrieberade festgestellte Zusammenhang zwischen Teilungsfehlern und der Tonhöhe des Geräusches ersichtlich. Nachdem der Fehler an der Bearbeitungsmaschine behoben war, traten auf den später hergestellten Zahnrädern keine Lichtstreifen und keine störenden Geräusche mehr auf. Beim Entwurf von Zahnradvorgelegen ist darauf zu achten, daß die Eigenschwingungszahlen der Anlage nicht in die Nähe der Betriebsdrehzahlen fallen. Auch mit der Frequenz der Fundamente darf kein Synchronismus vorhanden sein. Zur Verbindung der Turbinenwellen mit den schnellaufenden Ritzeln der Vorgelege dienen bewegliche Kupplungen. Diese werden häufig nach Abb. 12 als Doppelzahnkupplungen ausgeführt. Sie bewirken, daß Verschiebungen der Antriebswelle nicht auf das Getriebe übertragen werden und beide sich frei und unabhängig voneinander einstellen können. Textabbildung Bd. 339, S. 250 Abb. 12. Doppelverzahnungskupplung. Turbinenläufer; Ritzel; Wellenmutter; Kupplungsflansch; Kupplungsring; Spurscheibe; Einstellscheibe; Schraubenfeder mit Büchse. Die Oelversorgung ist für die Getriebeanlage von besonderer Bedeutung. Die Oelversorgung soll für; Maschine und Getriebe gemeinsam sein. Dem Erfordernis niedriger Zähflüssigkeit für die Lager und hoher Zähflüssigkeit für die Verzahnung wird in hinreichendem Maße durch Verwendung von Oel mit sogenannter „steiler Zähigkeitskennlinie“ entsprochen. Das Oel erwärmt sich im Lager und erhält dadurch eine geringere Zähflüssigkeit, während es sich in der Verzahnung nur wenig erwärmt und zähflüssig bleibt. Am besten eignet sich hier Oel mit einer Zähflüssigkeit von 6° E bei 50° C. Abb. 13 stellt den Zusammenhang von Zähflüssigkeit und Wärmegrad eines solchen Oeles dar. Textabbildung Bd. 339, S. 250 Abb. 13. Zähflüssigkeit des Schmieröles für Schiffstriebturbinen Das Oel wird in die ineinandergreifenden Zähne im allgemeinen durch Düsen eingespritzt. Die mittlere Temperatur des zu- bzw. abfließenden Oeles beträgt 35 bzw. 60° C. W.