Heinz Planeten-Kurvengetriebe

Planeten-Kurvengetriebe zur Teilevereinzelung aus
Stapelmagazin
Konzeption, Optimierung und konstruktive Realisierung
Dipl.-Ing. U. Seemann, HEINZ Automations-Systeme GmbH, Bensheim;
Dipl.-Ing. L. Enderlein, Gebr. Leonhardt GmbH & Co. KG – Blema
Kircheis, Aue;
Kurzfassung
Die Fa. HEINZ Automations-Systeme GmbH ist Hersteller von Kurvengetrieben und
Rundschalttischen.
Ein Hauptziel der Produktentwicklung der Fa. HEINZ Automations-Systeme GmbH ist es,
kundenspezifische Lösungen zu finden, die komplexe Bewegungsaufgaben effizient lösen.
Beim Verpackungsmaschinenhersteller Gebrüder Leonhardt GmbH & Co. KG - Blema
Kircheis besteht der Bedarf nach einem Mechanismus, der ein Verpackungselement aus
einem Magazin vereinzelt und einem Transportsystem der Verpackungsmaschine zuführt.
Im vorliegenden Beitrag wird die gestellte Bewegungsaufgabe, der prinzipielle
Lösungsansatz für das Getriebe und die konstruktive Umsetzung des Getriebes vorgestellt.
Die geforderte Bewegungsaufgabe besteht in der Entnahme eines Verpackungselementes
(Kartonboden zum Verschließen einer Kartondose nach dem Füllen) aus einem senkrecht
stehenden Stapelmagazin und der gezielten Übergabe an ein Transportsystem (horizontal
liegender Transportstern) der Verpackungsmaschine. Der Mechanismus soll 200 Elemente
pro Minute aus dem Magazin mittels Saugerkombination entnehmen und dem kontinuierlich
rotierenden Transportsystem zuführen.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Kombination von Kurvenscheibengetriebe in
kinematischer Umkehr, Stirnradstufe und einem Hebelsystem realisiert.
Grundlage der Bewegungsaufgabe ist eine Übertragungsfunktion auf Basis einer
Potenzfunktion 5.Grades. Mittels dieser Übertragungsfunktion werden Randbedingungen
erfüllt, die einen optimalen Ablauf der Bewegungen ermöglichen. Die Randbedingungen der
Übertragungsfunktion sind auch von den Abmessungen des nachgeschalteten
Koppelgetriebes abhängig. Unterschiedliche Abmessungen des Koppelgetriebes erfordern
andere Randbedingungen.

1. Erforderliche Bewegungsaufgabe
Die, in Bild 1 gezeigte, Unrund-Siegelmaschine VUSM 160/8 ist eine vollautomatisch
arbeitende Maschine. Die Maschine ist konzipiert zum Heißaufsiegeln von Kartonböden, im
weiteren Text Deckel genannt, auf gefüllte Kartondosen. Die Dosen und die Deckel bestehen
aus siegelfähigem Kartonverband. Dabei werden die Deckel als fertige Bauteile den Dosen
zugeordnet.
Bild 1: Unrund-Siegelmaschine VUSM 160/8
Die einzelnen Arbeitsoperationen erfolgen auf dem sich drehenden Karussell.
Die auf die Dosen zu siegelnden Deckel werden aus einem Magazin vereinzelt und dem
Karussell zugeführt [ 1 ].
Die Aufgabe besteht darin einen Mechanismus zu entwickeln, der mittels einer
Saugerkombination einen Deckel aus dem Magazin vereinzelt, diesen um 180° dreht und mit
einer Höhendifferenz von 460 mm ablegt. Dieser Vorgang soll durch einen kontinuierlich
drehenden Antrieb 200 mal pro Minute durchgeführt werden.
Bild 2 zeigt die schematische Darstellung der Bewegungsaufgabe in der die folgenden
Teilbewegungen ausgeführt werden müssen:
1 – Abziehen des Deckels aus dem Magazin
2 - Drehung des Deckels um 180°
3 – Ablegen des Deckels in Transportstern
4 – Rückbewegung der Saugerkombination von Transportstern
5 – Rückdrehung um 180°
6 – Ansaugbewegung an Deckel im Magazin

Bild 2: schematische Darstellung der Bewegungsaufgabe
Die beschriebene Bewegungsfolge stellt auch den idealen Bewegungsablauf dar. Die exakte
Vereinzelung der Deckel aus dem Magazin erfordert eine lineare Abwärtsbewegung der
Saugerkombination. Die gleiche Bewegung ist für die Ablage des Deckels im Transportstern
notwendig. Zwischen den linearen Bewegungen und der Rotation des Deckels ist eine
Überlagerung der Bewegungen möglich. Dies ist eine Möglichkeit die einzelnen
Bewegungszeiten zu verlängern und damit einen harmonischen Bewegungsablauf zu
erreichen.
2 . Lösungsansatz
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Kombination von Kurvenscheibengetriebe,
Stirnradstufe und einem Hebelsystem realisiert. Bild 3 zeigt schematisch den prinzipiellen
Aufbau des Gesamtmechanismus. Mit folgenden Elementen:
Gelenkpunkt 1 – Drehpunkt des Kurvengetriebes
Gelenkpunkt 2 – Abtrieb des Kurvengetriebes mit Stirnrad 1
Gelenkpunkt 3 - Drehpunkt Stirnrad 2
Gelenkpunkt 4 – Anbindung der Saugerkombination
Gelenkpunkt 5 – Saugpunkt für Deckel

Der Gelenkpunkt 5 ist der eigentliche Arbeitspunkt dessen Polbahn die geforderte
Bewegungsaufgabe ausführt.
Element 12 – Gehäuse des Kurvengetriebes
Element 14 – Zahnriementrieb 1:1
Element 23 – Gehäuse des Kurvengetriebes in dem die Stirnradstufe gelagert wird
Element 34 – Hebel
Element 45 – Saugerkombination
Element 212 – Stirnrad 1
Element 313 – Stirnrad 2
Bild 3: Getriebeschema des Gesamtmechanismus
Grundlage des Getriebes ist ein Kurvenscheibengetriebe mit gestellfesten Kurvenscheiben,
deren relativer Drehpunkt dem Gelenkpunkt 1 in Bild 3 entspricht. Um diese Kurven rotiert
ein Abtriebselement, auf das ein Stirnrad (Element 212 in Bild 3) fixiert ist.

Mit der Übersetzung i=2 wird das Stirnrad 2 (Element 313 in Bild 3) angetrieben, so dass
das Element 34 den doppelten Abtriebsweg des Kurvengetriebes ausführt.
Der Zahnriementrieb 14 ist auf den Elementen 13 und 45 fixiert und gewährleistet den
Zwanglauf von Element 45, das immer parallel zum Element 13 steht.
Das Kurvengetriebe realisiert einen Abtriebswinkel von 180° (Drehwinkel des Elementes 212
um Gelenkpunkt 2) auf 180° Antriebswinkel (Drehwinkel des Elementes 13/12 um
Gelenkpunkt 1). Die Stirnradstufe übersetzt diesen Weg auf 360°, so dass nach 180°
Antriebswinkel die Elemente 13, 34, und 45 in der gleichen Strecklage wie im
Ausgangspunkt liegen.
Die Besonderheit der Übertragungsfunktion des Kurvengetriebes liegt darin, dass in den
Strecklagen des Hebelsystems ein Geschwindigkeitsmaximum vorhanden ist. Dies führt
dazu, dass im Verhältnis zur Kurvenrotation eine schnelle Drehung des Elementes 34 erfolgt,
die als resultierende Bewegung eine annähernd lineare Bewegung von Gelenkpunkt 5 zur
Folge hat.
Die Übertragungsfunktion ist symmetrisch gestaltet, so das die Bewegungsaufgabe
unabhängig von der Antriebsdrehrichtung erfüllt wird.
Um die notwendige Antriebsdrehzahl zu minimieren wurden zwei gleichartige Mechanismen
um 180° versetzt angeordnet. Dadurch ist die Hälfte der Antriebsdrehzahl erforderlich.
3 . geometrische Randbedingungen
Die gestreckte Länge zwischen Gelenkpunkt 1 und Gelenkpunkt 5 (siehe Bild 3) beträgt
230mm, damit wird bei 180° Drehung die Höhendifferenz von 460mm überwunden. Die
Saugerkombination hat eine Höhe von 40mm, das entspricht im Bild 3 dem Element 45. Das
Element 12 in Bild 3 entspricht dem Achsabstand im Kurvengetriebe, der in Zusammenhang
mit dem Radius auf dem die Kurvenrollenangeordnet sind und der gewählten
Übertragungsfunktion die Kurvenkontur bestimmt. Dabei ist die Gleichung (1) Grundlage der
Dimensionierung [2].
L r = A a / (1+ψ’) (1)
L r – Länge des Hebelarm, auf dem die Kurvenrollen positioniert sind
A a – Achsabstand des Kurvengetriebes
ψ’ – bezogene Momentangeschwindigkeit im Kurvengetriebe
Nach der VDI Richtlinie 2143 Blatt 1 wird die bezogene Maximalgeschwindigkeit wie folgt
berechnet:
ψ’ max = 180°/180° * C v (2)

Die in der VDI Richtlinie genannten Übertragungsfunktionen haben einen maximalen C v -Wert
von 2,0.
Damit ergibt sich aus Gleichung (2) ein Wert für ψ’ max = 2,0.
Um einen notwendigen Achsabstand zu ermitteln wird aus Gleichung (1)
A a = L r * (1+ψ’) (3)
Die gewünschte Verwendung von standardisierten Einzelteilen bei der Fertigung des
Gesamtmechanismus führt zur Verwendung einer vorhandenen Abtriebswelle für das
Kurvengetriebe. Diese Abtriebswelle hat einen Radius von L r = 26mm.
Werden alle vorausgesetzten Parameter in Gleichung (3) eingesetzt ergibt sich für den
minimal notwendigen Achsabstand eine Wert von A a = 78 mm.
Um bei der Optimierung der Übertragungsfunktion keinerlei konstruktive Einschränkungen zu
provozieren, wird der Achsabstand ( Element 12 in Bild 3) mit 110mm festgelegt.
Das Element 34 muss, daraus resultierend, eine Länge von 80mm haben, um die
Gesamtlänge von 230mm zu erreichen.
4 . Übertragungsfunktion im Kurvengetriebe und resultierende Polbahn
Der im Bild 3 dargestellte Gesamtmechanismus mit folgenden Abmessungen ist Grundlage
der weiteren Untersuchung.
Element 12 = Element 13 = 110 mm
Element 34 = 80 mm
Element 45 = 40 mm
Bild 4 [4] zeigt die Polbahn von Gelenkpunkt 5 (Saugerkombination) unter der Annahme,
dass die Abtriebsgeschwindigkeit aus dem Kurvengetriebe konstant ist. Diese
Bewegungsform entspricht in keiner Weise den Anforderungen der Bewegungsaufgabe, da
die Form eine exakte Teileaufnahme und Ablage verhindert. Der Wert der bezogenen
Geschwindigkeit in der Strecklage des Gesamtmechanismus ist ψ’ = 1.
Bild 5 [4] zeigt die Polbahn der Saugerkombination bei Verwendung der
Übertragungsfunktion „Potenzreihe 5.Grades“ nach VDI Richtlinie 2143 Blatt 1. Bei dieser
Polbahn ist eine Schleifenbildung in den Strecklagen zu erkennen. Diese Schleifenbildung
beeinflusst die Funktion der Saugerkombination negativ, da ebenfalls ein Radius bei
Teileübernahme und Ablage in der Polbahn vorhanden ist. Der Wert der bezogenen
Geschwindigkeit in der Strecklage des Gesamtmechanismus ist ψ’ = 1,875.

Bild 4: Polbahn der Saugerkombination mit konstanter Geschwindigkeit
Bild 5: Polbahn der Saugerkombination mit Übertragungsfunktion „Potenzreihe 5.Grades“
Die Auswertung beider Polbahnen ergibt, dass bei einer bezogenen Geschwindigkeit von
ψ’= 1 ein Radius in der Strecklage des Mechanismus entsteht. Vergrößert man diese
bezogene Momentangeschwindigkeit verkleinert sich der Radius. Bei zu großer
Geschwindigkeit, zum Beispiel ψ’= 1,875, entsteht eine Schleifenbildung, die für die
Funktion des Gesamtmechanismus negativ ist.

Um diese Schleifenbildung zu vermeiden gilt folgende Bedingung:
1 < ψ’ < 1,875 (4)
Um die Bedingung in der Ungleichung (4) realisieren zu können wird eine
Übertragungsfunktion auf Basis einer Potenzreihe 5. Grades verwendet.
Diese Übertragungsfunktion ermöglicht die freie Wahl von Randbedingungen am Beginn und
am Ende von max. 40 Bewegungsabschnitten in einem Kurvengetriebe.
Bild 6 zeigt den Geschwindigkeitsverlauf einer derartigen Übertragungsfunktion mit
folgenden Randbedingungen:
Anzahl der Abschnitte 2 (0°-180° und 180°-360°)
ψ (0) = 0° ψ (180) = 180° ψ (360) = 360°
ψ’ (0) = 1,5 ψ’(180) = 1,5 ψ’ (360) = 1,5
ψ’’ (0) = 0 ψ’’(180) = 0 ψ’’(360) = 0
Bild 6: Geschwindigkeitsverlauf der Übertragungsfunktion „Potenzreihe 5. Grades mit frei
wählbaren Randbedingungen“
Die aus dieser Übertragungsfunktion resultierende Polbahn der Saugerkombination ist im
Bild 7 [4] dargestellt.
Die spitz zulaufende Polbahn in den Strecklagen des Gesamtmechanismus entspricht den
Erfordernissen der Bewegungsaufgabe optimal. Durch den Bahnverlauf ist das exakte
Abziehen der Deckel aus dem Magazin gewährleistet und in gleicher Weise die exakte
Ablage der Deckel in den Transportstern.

Bild 7: Polbahn der Saugerkombination bei Verwendung der Übertragungsfunktion
„Potenzreihe 5. Grades mit frei wählbaren Randbedingungen“
Der so beschriebene Mechanismus, mit der in Bild 7 [4] dargestellten Übertragungsfunktion,
ist Grundlage der konstruktiven Ausführung des Mechanismus.
5 . konstruktive Umsetzung der Getriebekonzeption
Der Gesamtaufbau des Mechanismus ist in Bild 8 [5] dargestellt. Er besteht aus einem
stabilen Gussgehäuse (Pos. 1), das mittels eines Flansches am Maschinengestell befestigt
ist. Das Gehäuse entspricht dem Verbund der Elemente 12-13-23 in Bild 3. Der Drehpunkt
des Gehäuses, identisch Gelenkpunkt 1 in Bild 3, ist als Hohlwelle (Pos. 6) ausgeführt.
Im Gehäuse ist das Abtriebselement des Kurvengetriebes (Pos. 2) und die übersetzte
Abtriebswelle (Pos. 3) gelagert. Diese Teile, bzw. deren Drehachsen, entsprechen den
Gelenkpunkten 2 und 3 in Bild 3. Mittels Spannelement ist der Hebel (Pos. 4) an der
Abtriebswelle (Pos.3) fixiert. Dieser Hebel entspricht dem Element 34 in Bild 3. In diesem
Hebel ist die Welle (Pos. 5) drehbar gelagert, die dem Gelenkpunkt 4 in Bild 3 entspricht. Die
Welle (Pos. 5) ist starr mit einem Zahnriemenrad (Pos. 7) verbunden, das über den
Zahnriemen (Pos. 8) mit dem Zahnriemenrad (Pos. 9) verbunden ist. Das Zahnriemenrad
(Pos. 9) ist starr mit dem Gehäuse (Pos. 1) verbunden. Die Durchmesser der
Zahnriemenräder (Pos. 7 und Pos. 9) sind identisch.
Am Außendurchmesser des Gehäuses ist ein Zahnriemenprofil eingebracht, über das die
Antriebsbewegung eingeleitet wird.

Durch die doppelte Anordnung der Elemente ist, wie bereits im Punkt 2 erläutert, die halbe
Antriebsdrehzahl erforderlich. Bei einer geforderten Leistung von 200 Deckeln pro Minute
ergibt das eine notwendige Antriebsdrehzahl von 100 min -1 .
Bild 8: Ansicht des Gesamtmechanismus
Die Beschreibung des konstruktiven Aufbaus und der Funktion des Gesamtmechanismus
erfolgt anhand der Schnittdarstellung in Bild 9 [5].
Der Flansch (HFBK01/0014) wird am Maschinengestell der Unrund-Siegelmaschine VUSM
160/8 befestigt.
Dieser Flansch ist mit dem Kurventräger (HFBK01/0010) verschraubt, der die
Kurvenscheiben (HFBK01/0008 und HFBK/0009) trägt. Damit ist die gestellfeste Lage der
Kurvenscheiben gewährleistet.
Über die Wälzlager (8LA00...074) ist das Gussgehäuse (HFBK01/0006) drehbar auf dem
Kurventräger gelagert. An der Außenkontur dieses Gehäuses ist ein Zahnriemenprofil
gefertigt, über das mittels eines separaten Motors die Antriebsbewegung eingeleitet wird.
Im Gehäuse (HFBK01/0006) sind zwei Abtriebswellen (HFBK01/0012) mittels der
Kegelrollenlager (8LA00...148 und 8LA00...025) gelagert. Diese Abtriebswellen tragen eine
bestimmte Anzahl von Kurvenrollen (8KR010...06), die in zwei Ebenen angeordnet sind und
die Bewegung, die durch die Übertragungsfunktion definiert ist, von den Kurvenscheiben
(HFBK01/0008 und HFBK/0009) abgreifen.
Auf den Abtriebswellen (HFBK01/0012) sind Stirnräder (HFBK01/0019) mittels
Passfederverbindung montiert.

Bild 9: Schnittdarstellung des Gesamtmechanismus

Die Besonderheit dieses Kurvengetriebes besteht darin, dass die Kurvenscheiben gestellfest
gelagert sind und die Abtriebswellen durch ein drehbar gelagertes Gehäuse um diese
Kurvenscheiben rotieren und dadurch die definierte Abtriebsbewegung ausführen.
Wie in Abschnitt 4 beschrieben führen die Abtriebswellen (HFBK01/0012) eine Bewegung,
entsprechend einer zugeschnittenen Übertragungsfunktion, aus.
Der Abtriebswinkel beträgt 180° auf 180° Antriebswinkel, das heißt bei einer kompletten
Drehung des Gehäuses (HFBK01/0006) drehen die Abtriebswellen (HFBK01/0012) genau
360° . Der Geschwindigkeitsverlauf entspricht dem in Bild 6 dargestellten Verlauf.
Die Stirnräder (HFBK01/0019) sind mit den Gegenrädern (HFBK01/0018) im Eingriff. Das
Übersetzungsverhältnis zwischen diesen Rädern ist 1:2.
Die Gegenräder (HFBK01/0018) sind mittels Passfederverbindung mit den Wellen
(HFBK01/0011) verbunden, die im Gehäuse (HFBK01/0006) drehbar, mit den
Kegelrollenlagern (8LA00...025), gelagert sind.
Über die Spannelemente (8SE00...12) sind die Hebel (HFBK01/0015) mit den Wellen
(HFBK01/0011) verbunden.
In den Hebeln (HFBK01/0015) sind, durch die Wälzlager (8LA00...067), die Wellenzapfen
(HFBK01/0017) gelagert, an denen je zwei Bezugsflächen angebracht sind.
Auf die Wellenzapfen (HFBK01/0017) werden die Saugerkombinationen durch den
Anwender montiert.
Die Spannelemente (8SE00...013) verbinden die Wellenzapfen (HFBK01/0017) mit den
Zahnriemenrädern (8ZE01...034).
Die Zahnriemen (8ZE00...020) verbinden die Zahnriemenräder (8ZE01...034) mit den
Zahnriemenrädern (8ZE01...035). Die Übersetzung zwischen diesen Zahnriemenräder
beträgt 1:1.
Durch eine starre Verbindung der Zahnriemenräder (8ZE01...035) mit dem Gehäuse
(HFBK01/0006) ist gewährleistet, dass die Lage der Bezugsflächen an den Wellenzapfen
(HFBK01/0017) in jeder Getriebestellung unverändert zur Verbindungslinie zwischen dem
Drehpunkt des Gehäuses (HFBK01/0006) zu den Drehpunkten der Welle (HFBK01/001)
bleibt.
Die Spannelemente (8SE00...013 und 8SE00...012) ermöglichen, bei der Montage des
Gesamtmechanismus in die Unrund-Siegelmaschine, eine Feinjustierung der Saugerposition
innerhalb der Maschine.

Die folgenden Bilder zeigen den Gesamtmechanismus entsprechend der beschriebenen
Ausführung in der Unrund-Siegelmaschine VUSM 160/8.
Im Bild 10 [1] ist die Einbausituation des Gesamtmechanismus in der Unrund-
Siegelmaschine dargestellt. Position 1 zeigt das Magazin mit der Deckelbefüllung. Position 2
zeigt den Gesamtmechanismus mit Zahnriemenantrieb und Position 3 zeigt den
Transportstern, in den die vereinzelten Deckel eingelegt werden.
Bild 10: Einbausituation des Mechanismus in der Unrund-Siegelmaschine VUSM 160/8
Bild 11 [1] zeigt die Position des Gesamtmechanismus bei der Teilevereinzelung bzw. bei
der Ablage des vereinzelten Deckels in den Transportstern. Das Bild entstand während der
Maschinenmontage, so das beim ablegenden Mechanismus die Saugerkombination noch
nicht montiert ist.
In Bild 12 [1] ist die Saugerkombination und der Zahnriementrieb zur Lagefixierung der
Saugerkombination dargestellt.

Bild 11: Gesamtmechanismus in der Position Teilevereinzelung und Ablage
Bild 12: Saugerkombination mit Zahnriementrieb zur Lagefixierung

Zusammenfassung
Innerhalb der Unrund-Siegelmaschine VUSM 160/8, der Gebrüder Leonhardt GmbH & Co.
KG - Blema Kircheis, ist die Vereinzelung von Kartondosendeckeln aus einem Magazin
notwendig. Diese Kartondosendeckel sollen nach der Vereinzelung um 180° gedreht werden
und 460 mm tiefer in einen Transportstern abgelegt werden.
Der beschriebene Mechanismus wurde durch HEINZ Automations-Systeme GmbH
konzipiert, den Erfordernissen der konkreten Anwendung angepasst, konstruktiv
ausgearbeitet und realisiert.
Unter Verwendung eines Kurvengetriebes mit einer speziell definierten Übertragungsfunktion
mit frei wählbaren Randbedingungen und einem nachgeordneten Hebelsystem wurde die
geforderte Bewegungsaufgabe in der notwendigen Weise realisiert.
Unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen des Kurvengetriebes und des
nachgeschalteten Hebelsystem, sowie der Variation der Übertragungsfunktion des
Kurvengetriebes ist die Verwendung derartiger Mechanismen für andere gleichartige
Bewegungsaufgaben denkbar.
Literatur
[1] N.N. Maschinenbeschreibung Unrund-Siegelmaschine VUSM 160/8
Gebrüder Leonhardt GmbH & Co. KG - Blema Kircheis, Aue 2006
[2] Seemann, U. Synthese und Analyse von Kurvenscheiben Schrittgetriebe,
VDI Bericht 847, 1990
[3] N.N. VDI Richtlinie 2143 Blatt 1
Bewegungsgesetze für Kurvengetriebe
VDI-Verlag 1980
[4] SAM 4.1; Artas-Engineering Software
[5] N.N. Betriebs und Wartungsvorschrift für Planetenkurvengetriebe
HEINZ Automations-Systeme GmbH, Bensheim 2006