Wahlstory AHubvorrichtung⏱ 30 hSprint 6 und 7

In der Bahnwerkstatt wird jeder Zug nachts von unten gewartet. Heute steht er dafür über einer Grube. Für Arbeiten an Rädern, Getrieben und den neuen Fahrmotoren soll er künftig angehoben werden: 23 Tonnen auf vier Säulen, gleichmäßig und sicher.

Schritt 2 von 4. Du liest die Wahlstory ganz, klärt im Team die Anforderungen mit dem Auftraggeber und schreibt das Lastenheft. Dann legt ihr aus, entscheidet und bereitet die Messe vor.

Danach: Die Technikmesse

Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Eine Hubvorrichtung ist die ehrlichste Last, die es gibt: Sie will immer nach unten. Der Antrieb muss heben, halten und sicher senken.

Der Auftrag in einem Satz

Legt eine Unterflur-Hebeanlage aus, die einen leeren Zug mit vier Spindelsäulen gleichmäßig auf Arbeitshöhe hebt, dort sicher hält und wieder absenkt.

Darum geht es

Als Ingenieurbüro möchten wir die Antriebe der Hebeanlage so auslegen und steuern, dass alle vier Säulen gleich schnell heben und der Zug in keinem Fehlerfall herunterkommt, damit die Elektrowerkstatt in den kurzen Wartungsnächten sicher unter dem Zug arbeiten kann.

Die Lage

Unterflur-Hebeanlage in der Bahnwerkstatt (Schema, nicht maßstäblich)WerkstattbodenGrubeleerer ZweiwagenzugM3~-MA61M3~-MA62M3~-MA63M3~-MA64Steuerung undUmrichterSchaltschrankHubbis 1,8 mHubsäulemit SpindelTragarm
Unterflur-Hebeanlage in der Bahnwerkstatt, als Schema, nicht maßstäblich. Über einer Grube steht ein leerer Zweiwagenzug, angehoben auf vier Hubsäulen, je zwei unter jedem Wagen. Jede Säule trägt oben einen Tragarm unter dem Wagenkasten und enthält eine Spindel. Unten in der Grube treibt an jeder Säule ein Dreiphasenmotor, MA61 bis MA64, über ein Getriebe die Spindel an. Die Motoren sind mit Steuerung und Umrichtern im Schaltschrank neben der Grube verbunden. Links ist der Hub vom Werkstattboden bis zur Unterkante des Wagenkastens bemaßt, bis 1,8 m. Eigene Darstellung für den Unterricht.

Die Hebeanlage steht in der Bahnwerkstatt, in der je Nacht ein Zug gewartet wird. Gehoben wird immer ein leerer Zweiwagenzug. Jede der vier Säulen hat eine eigene Spindel mit eigenem Motor. Eine durchgehende Welle zwischen den Säulen gibt es nicht: Dass alle vier gleich hoch sind, muss die Steuerung schaffen.

Die Last verteilt sich nicht gleichmäßig auf die Säulen, und beim Absenken arbeitet der Antrieb anders als beim Heben. Beides gehört in eure Lastfälle.

Anforderungen des Auftraggebers

Diese Werte hat der Auftraggeber genannt. Alle sind Unterrichtswerte. Was hier fehlt, klärt ihr als Rückfrage, bevor ihr das Lastenheft schreibt.

Nr. Anforderung Wert
A1 Last leerer Zweiwagenzug, 23 t; an einer Säule können durch ungleiche Verteilung bis zu 20 % mehr als ein Viertel der Last liegen
A2 Hub 1,8 m vom Werkstattboden bis Unterkante Wagenkasten
A3 Hubzeit voller Hub in 90 s, Heben wie Senken
A4 Gleichlauf Höhenunterschied zwischen zwei Säulen höchstens ± 5 mm, auch beim Anfahren und Anhalten
A5 Spindel Trapezgewindespindel mit 10 mm Steigung, selbsthemmend, Wirkungsgrad ηSp = 0,35
A6 Arbeitshöhen zwei Arbeitshöhen anfahrbar: 1,2 m und 1,8 m, jeweils auf ± 5 mm
A7 Sicherheit Tragmutter mit Sicherheitsmutter je Spindel; Not-Halt an jeder Säule und am Bedienpult; kein Senken, solange jemand im Gefahrenbereich ist
A8 Versorgung Werkstattnetz 3 AC 400 V 50 Hz
A9 Betrieb rund zwei Hubspiele je Nacht, 365 Nächte im Jahr

Rechne selbst: hier fängst du an

Die Tabelle nennt Startpunkte, keine Lösung. Ob ihr alle braucht und was danach kommt, entscheidet ihr.

Was du suchst Womit du anfängst
Last je Säule im ungünstigsten Fall Masse des Zugs, Zahl der Säulen und Zuschlag aus A1; F = m · g
Hubgeschwindigkeit v = HubHubzeit
Leistung an der Säule beim Heben P = F · vηSp, Getriebe noch nicht eingerechnet
Spindeldrehzahl nSp = vSteigung
Moment an der Spindel MSp = P2 · π · nSp oder direkt MSp = F · Steigung2 · π · ηSp
Getriebe und Motor gewünschte Motordrehzahl und Spindeldrehzahl ergeben i; das Moment am Motor wie auf der Karte „Formeln“
Gleichlauf ± 5 mm in Spindelumdrehungen und in Geberinkrementen ausdrücken, dann entscheiden, wie fein gemessen werden muss
Senken Richtung von Moment und Drehzahl beim Senken bestimmen und den Quadranten im M-n-Kreuz eintragen
Euer Lastenheft zum Ausfüllen

Aus den Anforderungen oben und den Antworten des Auftraggebers macht ihr prüfbare Anforderungen: je Zeile eine Anforderung, ein Wert oder eine Grenze, wie sie geprüft wird, und ob sie Muss oder Soll ist. Das Lastenheft gebt ihr beim Auftraggeber zur Freigabe ab.

Nr. Anforderung Wert oder Grenze So wird geprüft Muss oder Soll
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
L10

Fertig bist du, wenn …

  • das Lastenheft vom Auftraggeber freigegeben ist,
  • die Lastfälle Heben, Halten und Senken für die ungünstigste Säule mit Moment, Drehzahl und Leistung gerechnet sind,
  • Motor, Getriebe und Umrichter je Säule ausgewählt und gegen die Lastfälle geprüft sind, mit Begründung der Reserve,
  • das Gleichlaufkonzept steht: Messung, Regelung oder Steuerung, Reaktion bei zu großer Abweichung,
  • das Positionieren auf die Arbeitshöhen beschrieben ist, mit Geber und Genauigkeit,
  • das Sicherheitskonzept beschreibt, was bei Not-Halt, Netzausfall, Bruch einer Tragmutter und zu großer Höhendifferenz geschieht,
  • Kosten für Antriebe und Energie im Jahr abgeschätzt sind,
  • Plakat, drei Prüffragen und Wissensspeicher-Blatt für die Messe vorliegen.

Stolperfallen: Fragen, die ihr euch stellen solltet

Hier steht keine Antwort. Jede dieser Fragen gehört beantwortet in eure Dokumentation, mit Rechnung oder Begründung.

  • In welchem Quadranten arbeitet der Motor beim Senken, und welche Rolle spielt dabei, dass die Spindel selbsthemmend ist?
  • Welche Säule bestimmt die Auslegung, und reicht es, die Leistung für ein Viertel der Last zu rechnen?
  • Was geschieht mit dem Gleichlauf, wenn ein Motor beim Anfahren ein paar Hundertstelsekunden später losläuft als die anderen?
  • Genügt es, alle vier Motoren am selben Umrichter parallel zu betreiben, oder braucht jede Säule einen eigenen? Was spricht jeweils dafür?
  • Was hält den Zug, wenn ein Motor ohne Spannung ist, und was, wenn die Tragmutter verschlissen ist?
  • Welche Betriebsart nach DIN EN 60034-1 hat ein Antrieb, der zweimal je Nacht 90 s läuft, und was folgt daraus für die Motorgröße?
Zahlen und Hintergrund

Unterflur-Hebeanlagen heben Schienen- und Straßenfahrzeuge für Arbeiten am Fahrwerk an. Spindelantriebe mit selbsthemmendem Trapezgewinde sind dort üblich, weil sie die Last ohne Bremse halten. Der Preis ist ein niedriger Wirkungsgrad.

Die Werte A1 bis A9 sind Unterrichtswerte. Masse und Bauart des Zugs kennt ihr aus dem Projektauftrag. Wer weitere Daten braucht, etwa Preise für Motoren und Umrichter, fragt beim Auftraggeber nach oder nimmt begründete Katalogwerte.

Für Lehrkräfte: Wahlphase, Sprint 6 und 7, zusammen 30 h. Lehrplan 4.3.8: „analysieren die Antriebsaufgabe des Kunden unter Berücksichtigung verschiedener Last- und Prozesssituationen“ und „planen und dimensionieren Antriebe“, dazu „steuern oder regeln Antriebssysteme“. Taxonomiestufe III (Heuristik): Der Auftrag ist offen, es gibt mehrere tragfähige Lösungen und keine Musterlösung. Prüfungsrelevant für die Technikerprüfung, Grundlage für die Projektarbeit. Schwerpunkt Hubvorrichtung und Gleichlauf. Die Stolperfrage zum Senken ist der fachliche Kern: Eine Antwort ohne Begründung über Wirkungsgrad und Leistungsfluss geht im Kreuzreview zurück. Laborvorschlag: Last am Lastprüfstand heben und senken, Moment und Drehrichtung am Umrichter mitschreiben.

Weiter: Wie ihr euren Folgeauftrag ausstellt, steht in der Lektion „Die Technikmesse“. Die Formeln vom Lastfall zum Motor stehen auf der Karte „Formeln der Antriebstechnik“.