Zahnkupplungen in Antriebssystemen von Tunnelbohrmaschinen: Konstruktionsprinzipien, Anwendungen und Einblicke in die britische Industrie

Zahnkupplungen in Antriebssystemen von Tunnelbohrmaschinen: Konstruktionsprinzipien, Anwendungen und Einblicke in die britische Industrie

Wie Präzisionszahnkupplungen die extremen Drehmomentanforderungen moderner TBM-Schneidkopfantriebe – von der Motorwelle bis zum Hauptlager – bei Großbritanniens anspruchsvollsten Untergrundprojekten ermöglichen.

Der Tunnelbau hat die Ingenieurskunst schon immer an ihre Grenzen gebracht. Als die Elizabeth Line unter dem Zentrum Londons durch Kreide, Ton und jahrzehntelang vergrabene Infrastruktur verlängert wurde, mussten die Antriebssysteme des Bohrkopfes Drehmomente im Bereich von Zehntausenden von Kilonewtonmetern liefern. Die Zahnkupplung bildet das Herzstück dieser Kraftkette und verbindet den Elektromotor mit dem Planetengetriebe und dessen Abtrieb mit der Hauptlagerbaugruppe, die den Bohrkopf selbst antreibt. Ohne dieses erstaunlich kompakte Bauteil, das unter nahezu völliger Unzugänglichkeit zuverlässig funktioniert, wären große Tunnelbauprojekte in ganz Großbritannien schlichtweg nicht möglich gewesen.

Zahnkupplungen haben sich in den Antriebssträngen von Tunnelbohrmaschinen (TBM) bewährt, da keine andere flexible Kupplungstechnologie die gleiche Kombination aus Drehmomentdichte, Winkel- und Radialfluchtungskompensation sowie thermischer Belastbarkeit auf so kleinem Raum bietet. Eine moderne Hartgesteins-TBM, die in Infrastrukturprojekten in Birmingham oder Sheffield eingesetzt wird, kann acht bis sechzehn unabhängige Antriebsmodule tragen, von denen jedes einen Teil zum Gesamtdrehmoment des Schneidkopfes beiträgt. Die Zahnkupplungen in jedem dieser Module müssen über mehrere Arbeitsgänge hinweg identisch funktionieren, ohne dass während des kontinuierlichen Vortriebs eine Inspektion möglich ist.

Dieser Artikel untersucht die technischen Gründe für die Auswahl von Zahnradkupplungen für TBM-Anwendungen, die Materialien und die Geometrie, die ihre Funktionsfähigkeit gewährleisten, die Leistungsparameter, die Beschaffungs- und Konstruktionsingenieure in Großbritannien festlegen müssen, sowie die Fertigungspartnerschaft, die diese Spezifikationen termingerecht und normgerecht erfüllen kann.

Anwendungsszenario: Antriebssysteme für den Schneidkopf von Tunnelbohrmaschinen

Tiefbauprojekte · U-Bahn- und Bahnprojekte in Großbritannien

Eine Tunnelbohrmaschine ist im Grunde eine mobile Fabrik, die unter der Erde liegt. Der Bohrkopf – die rotierende Scheibe an der Vorderseite, die Gestein oder Erdreich bricht und verdrängt – wird durch ein Hauptlager mit enormem Durchmesser angetrieben, typischerweise 3,5 m bis 10 m, abhängig vom Tunnelquerschnitt. Hinter diesem Lager befindet sich ein Planetengetriebe, das jeweils von einem oder zwei Hochleistungs-Elektromotoren angetrieben wird. Die Kupplung zwischen Motorausgangswelle und Planetengetriebeeingang sowie zwischen der Abtriebswelle des Getriebes und dem Zahnkranz des Hauptlagers erfüllt ihre wichtigste Funktion.

Die auftretenden Drehmomente sind enorm. Eine mittelgroße Tunnelbohrmaschine (TBM), die für Versorgungstunnel im Umfeld des wachsenden U-Bahn-Netzes von Manchester eingesetzt wird, kann am Bohrkopf Drehmomente von 4.000 bis 12.000 kN·m entwickeln. Bei Maschinen mit großem Durchmesser, wie sie in großen Straßen- oder Bahnprojekten in den englischen Midlands zum Einsatz kommen, können die Drehmomente am Bohrkopf 80.000 kN·m oder mehr erreichen. Jedes einzelne Antriebsmodul trägt mehrere hundert Kilonewtonmeter bei, was bedeutet, dass die Zahnkupplungen in jedem Modul diese Lasten kontinuierlich aufnehmen, Vibrationen von der Bohrstelle absorbieren und Wellenfluchtungsfehler ausgleichen müssen, die durch die strukturelle Durchbiegung des TBM-Hauptträgers unter der Bodenlast entstehen.

Die besondere Eignung von Zahnkupplungen für diese Umgebung beruht nicht auf einer einzelnen Eigenschaft, sondern auf dem Zusammenspiel mehrerer Faktoren. Das in Präzisionszahnkupplungen verwendete Evolventen-Zahnprofil verteilt die Last über eine große Kontaktfläche und verhindert so Spannungsspitzen, die andere Kupplungstypen zerstören würden. Die ballige Zahngeometrie – bei der die Zähne der Kupplungshülse entlang ihrer Länge leicht tonnenförmig sind – ermöglicht einen Winkelversatz von bis zu 1,5° pro Element, ohne Biegemomente in den Wellen zu erzeugen. Gleichzeitig wird ein radialer Versatzausgleich erreicht. Die gesamte Baugruppe ist abgedichtet und mit Hochdruckfett geschmiert, das auch bei den hohen Temperaturen im Inneren eines stark beanspruchten Antriebsstrangs – typischerweise 60 °C bis 90 °C Umgebungstemperatur in einem stark frequentierten TBM-Antriebsraum – wirksam bleibt.

Funktionsprinzip der Zahnradkupplung

Das mechanische Herzstück einer Zahnkupplung ist der Eingriff von Außen- und Innenverzahnung. Die Nabe – das Bauteil, das über eine Passfederbohrung oder Keilwelle direkt mit der Welle verbunden ist – trägt einen Satz eng tolerierter Außenverzahnung. Die Hülse umschließt die Nabe und trägt passende, gerade Innenverzahnung. Das Drehmoment wird durch den kontinuierlichen Eingriff dieser Verzahnungen von einer Welle auf die andere übertragen. Da sich die balligen (konvexen) Nabenverzahnungen in den geraden Hülsenverzahnungen bewegen können, gleicht die Kupplung Winkelabweichungen aus, ohne Biegekräfte auf die verbundenen Wellen zu erzeugen.

Ein komplettes Zahnkupplungspaar – von Ingenieuren der Antriebstechnik-Lieferkette in Sheffield als „Doppelflex“-Einheit bezeichnet – besteht aus zwei Naben, zwei Hülsen, einem Distanzrohr oder Flanschring zwischen den Hülsen und Dichtungskomponenten. Jedes Naben-Hülsen-Paar bildet ein Flexelement. Die Doppelflex-Konfiguration ermöglicht sowohl Winkelabweichungen an beiden Enden als auch eine gewisse axiale Verschiebung. Dadurch eignet sich die Kupplung ideal für Antriebe, bei denen die Wärmeausdehnung entlang der Wellenachse signifikant ist, wie es beispielsweise bei TBM-Antriebssträngen der Fall ist, die über längere Zeiträume heiß laufen.

Das Schmiersystem ist für einen zuverlässigen Betrieb unerlässlich. Fett – typischerweise ein EP-Lithiumkomplex- oder Polyharnstofffett – füllt den Zahneingriffsbereich und wird durch Lippendichtungen oder O-Ringe gehalten, die zwischen Nabenflansch und Hülsenbohrung eingepresst sind. Unter Last gleiten die Zähne axial gegeneinander, und der Fettfilm verhindert den direkten Metallkontakt in diesem Gleitbereich. Für TBM-Anwendungen, die im verwitterten Ton- und Sandgestein von Birmingham kontinuierlich unter Tage arbeiten, ist die Aufrechterhaltung der Schmierfettintegrität über 2.000 bis 3.000 Betriebsstunden zwischen den geplanten Wartungsintervallen von höchster technischer Priorität. Daher sind die Materialauswahl und die Dichtungskonstruktion ebenso wichtig wie die Zahngeometrie.

Kernwerkstoffe in der Zahnkupplungsherstellung

Technische Kernvorteile von Zahnkupplungen

Technische und Leistungsparameter des Produkts

Referenzdaten für Zahnkupplungen, geeignet für TBM- und Schwerindustrieantriebe

Industrielle Anwendungsszenarien in der britischen Schwerindustrie

Abseits des Tunnelbaus sind Zahnkupplungen in nahezu allen Bereichen der britischen Schwerindustrie ein zentrales Bauteil. In den Metallverarbeitungsbetrieben von Birmingham – wo die West Midlands nach wie vor ein bedeutendes Zentrum für Präzisionswalzprodukte und Schmiedebetriebe beherbergen – verbinden Zahnkupplungen die Hauptantriebsmotoren der Walzgerüste mit den Gehäusen der Arbeitswalzenritzel. Diese Verbindungen müssen die Drehmomentimpulse für die Walzenumkehr mit Frequenzen von mehreren Zyklen pro Minute übertragen, was zu extremen Belastungen jedes Kupplungselements im Antriebsstrang führt.

Auch der Stahl- und Speziallegierungssektor in Sheffield setzt in den Antriebssträngen von Vor- und Fertigwalzwerken auf Zahnkupplungen. Beim Walzen hochlegierter Werkzeugstähle oder Edelstähle variieren die Eingriffskräfte im Walzspalt von Walzstich zu Walzstich erheblich. Dies führt zu Torsionsschwingungen, die sich über den Antriebsstrang ausbreiten. Die hohe Torsionssteifigkeit der Zahnkupplung – deutlich höher als bei elastischen Alternativen – trägt dazu bei, Resonanzen in diesen Antriebssträngen zu verhindern. Gleichzeitig gleicht die ballige Zahngeometrie den Wellenversatz aus, der durch die Wärmeausdehnung stark isolierter Walzwerksgehäuse entsteht.

Die Stromerzeugung an britischen Industriestandorten – darunter Blockheizkraftwerke, die große Produktionsgelände in Nordengland versorgen – nutzt Zahnkupplungen zwischen den Verdichtersektionen der Gasturbine und der Generatorwelle. Diese Anwendungen erfordern spielfreies Arbeiten unter wechselnden Drehmomentbelastungen. Dies wird durch engere Zahneingriffsformen und eine Genauigkeit der DIN-Klasse 4 erreicht. Die Prüfeinrichtungen für Schiffsantriebe in Portsmouth und Barrow-in-Furness verwenden hochfeste Zahnkupplungen, um die Dynamometerwellen mit den zu prüfenden Antriebseinheiten zu verbinden und die bei simulierten Manöverbedingungen auftretenden Drehmomentspitzen zu absorbieren.

Ausgewählte Kupplungsprodukte von Ever Power

Zwei vielseitige Lösungen aus unserem Portfolio an Präzisionskraftübertragungssystemen, entwickelt für anspruchsvolle Anwendungen in Großbritannien und weltweit.

Ever Power: Fertigungskapazitäten & Anpassungsdienstleistungen

Die Fertigungsanlagen von Ever Power umfassen ein spezialisiertes Werk für Präzisionsbearbeitung und Montage, das für die gesamte Bandbreite an Antriebskupplungen ausgestattet ist – von Standardkataloggrößen bis hin zu kundenspezifisch gefertigten TBM-Antriebskupplungen mit Bohrungsdurchmessern von über 600 mm. Die Produktionshalle verfügt über CNC-Wälzfräszentren für Innen- und Außenverzahnungsprofile, kontinuierliche Einsatz- und Härteöfen mit einer Temperaturregelung von ±5 °C, Präzisions-Rundschleifzentren, die eine Oberflächenrauheit von Ra 0,4 µm oder besser an den Zahnflanken erreichen, sowie eine Koordinatenmessmaschine (KMM), die vollständige 3D-Verzahnungsformberichte nach DIN 3960 und BS 436 erstellt.

Kundenspezifische Anpassung ist die absolute Stärke von Ever Power, nicht nur eine Behauptung. Wenn ein Hersteller von Tunnelbohrmaschinen oder ein britisches Bauunternehmen eine Zahnkupplung benötigt, die von den Katalogbeschreibungen abweicht – sei es hinsichtlich Bohrungsdurchmesser, Material, Wärmebehandlung, Distanzstücklänge, Dichtungstyp oder Befestigungsschnittstelle –, wird das Ingenieurteam von Ever Power bereits in der frühen Konstruktionsphase einbezogen. Die Finite-Elemente-Analyse des Zahnkontaktspannungsmusters und der Kupplungskörperverformung ist Standardverfahren für alle Sonderanfertigungen. Für Hochgeschwindigkeitsvarianten ist eine dynamische Auswuchtzertifizierung nach ISO 1940 Grad G2.5 oder besser verfügbar. Jede Lieferung für britische Projekte, bei denen dies von den Qualitätsrichtlinien der Bauunternehmen gefordert wird, wird mit vollständiger Materialrückverfolgbarkeitsdokumentation – EN 10204 3.1 Werkszeugnissen, Wärmebehandlungsprotokollen und Härteprüfberichten – versehen.

Die Zuverlässigkeit der Lieferkette ist ein Thema, das für Einkaufsteams, die in Großbritannien Bauprojekte mit langen Vorlaufzeiten betreuen, von großer Bedeutung ist. Ever Power hält einen strategischen Lagerbestand an halbfertigen Naben- und Hülsen-Schmiedeteilen in den gängigsten Bohrungsgrößen vor. Dadurch verkürzt sich die Lieferzeit für kundenspezifisch gefertigte Einheiten von den üblichen 8–12 Wochen für Sonderanfertigungen mit großem Bohrungsdurchmesser auf nur 3–5 Wochen, wenn während eines Projekts dringender Bedarf entsteht. Die Dokumentation zur Erfüllung der Qualitätsmanagementanforderungen britischer Bauunternehmen – einschließlich gegebenenfalls Schweißverfahrensspezifikationen, Berichten über zerstörungsfreie Prüfungen und Vereinbarungen zur Abnahme durch Dritte – ist Bestandteil des Standard-Projektabwicklungspakets für Aufträge auf dem britischen Markt.

Ob Sie eine Standard-Serieneinheit benötigen, die innerhalb weniger Wochen nach Großbritannien geliefert werden soll, oder eine vollständig entwickelte TBM-Kupplung, die auf Ihre spezifischen Drehmoment- und Fehlausrichtungsgrenzen zugeschnitten ist – das technische Vertriebsteam von Ever Power steht Ihnen gerne zur Verfügung.

📧 Fordern Sie ein Werksangebot an — [email protected]

Reaktionszeit innerhalb von 24 Stunden · Technische Dokumentation inklusive · DDP-Lieferung innerhalb Großbritanniens möglich

Kundenerfolgsgeschichte: Stadtbahnverlängerung Bristol, Großbritannien

Tiefbauprojekte · U-Bahn-Tunnelbau · Südwestengland

Einem großen Tiefbauunternehmen, das mit dem Ausbau der Stadtbahn in der Region Bristol beauftragt war, drohte in einer kritischen Phase des Tunnelbohrmaschinen-Programms ein Kupplungsproblem. Die Maschine – eine EPB-Tunnelbohrmaschine (Erddruckausgleich) mit 7,2 m Durchmesser und gemischter Ortsbrust – hatte bereits 340 m eines 1,4 km langen Tunnelvortriebs zurückgelegt, als eines der zwölf Planetengetriebemodule hörbare Kupplungsgeräusche entwickelte, die auf fortgeschrittenen Zahnverschleiß hindeuteten. Ein Stillstand der Maschine von mehr als fünf Tagen hätte den Bauablauf gefährdet und erhebliche Vertragsstrafen nach sich gezogen.

Das Maschinenbauteam des Auftragnehmers kontaktierte Ever Power mit den vollständigen Kupplungsabmessungen: 310 mm Bohrung, Nabenmaterial 34CrNiMo6, kundenspezifische Distanzstücklänge von 380 mm, angepasst an die Geometrie des Antriebsschachts, und FKM-Lippendichtung. Die Anforderungen umfassten Zahngenauigkeit DIN 3960 Grad 5 und die Werkstoffzertifizierung EN 10204 3.1 für Naben- und Hülsenschmiedeteile. Ever Power bestätigte eine Produktionszeit von 22 Tagen für ein passendes Ersatzpaar inklusive Dokumentation sowie die Lieferung einer dritten Einheit als Reservekupplung.

Die Einheiten trafen 19 Tage nach Auftragserteilung – drei Tage früher als geplant – im Logistikzentrum für Baumaschinen in Bristol ein. Dadurch konnte das Team der Tunnelbohrmaschine den Kupplungswechsel innerhalb des Fünf-Tage-Fensters abschließen und die Maschine wieder in Betrieb nehmen. Der Bauzeitplan wurde eingehalten, und der Auftragnehmer erteilte anschließend eine Rahmenbestellung für alle zwölf Antriebsmodule, die als Ersatzteile vorrätig gehalten werden sollten, um die restlichen Bauarbeiten abzuschließen. Die Gesamtkosten für die Kupplungen beliefen sich auf einen Bruchteil der vermiedenen Vertragsstrafe. Aufgrund dieser positiven Erfahrung entschied sich der Auftragnehmer, Ever Power auch für sein nächstes Tunnelbauprojekt in Manchester als bevorzugten Lieferanten auszuwählen.

Häufig gestellte Fragen

Sprachsuchoptimierte Antworten für britische Beschaffungs- und Entwicklungsteams