Maschinenbauteile & Antriebstechnik
Wie Druckmaschinen sich bewegen, gesteuert und angetrieben werden: die sechs Grundgetriebearten, Steuern und Regeln mit Sensoren und Aktoren, sowie der Weg von der Königswelle zum Direct-Drive-Antrieb.
Die sechs Grundgetriebearten der Druckmaschine: Rollen-, Räder-, Kurven-, Sperr-, Schrauben- und Kurbelgetriebe – mit Bauteilen, Beispielen und Besonderheiten.
Jede Getriebeart einzeln anklicken und verstehen, dazu ein Quiz: Welche Bewegungsumwandlung passt zu welchem Getriebe?
Informationsfluss, EVA-Prinzip, Regelkreis und Steuerkette, Sensoren und Aktoren, Störgrößen – die Grundlagen der Steuerungstechnik an der Druckmaschine.
Von der mechanischen Königswelle zum elektronischen Direct-Drive-Antrieb: Prinzip, Vor- und Nachteile im Vergleich.
Erklärt: Umfang, Umfangsgeschwindigkeit und Übersetzungsverhältnis bei Rollen- und Rädergetrieben. Dazu endlos viele Rechenaufgaben.
Bauteil und Funktion einander zuordnen: Potentiometer, Fotozelle, Schrittmotor, Pneumatikzylinder und mehr.
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Warum Getriebe?
Eine Druckmaschine braucht rotierende, schwingende, gleichmäßige, ungleichmäßige, stetige und aussetzende Bewegungen: der Kipp- und Schleppsauger am Anleger, die Zylinder im Druckwerk, die Vorder- und Seitenmarken, die Druckan- und -abstellung, die Farb- und Feuchtheber, der Auslagemechanismus. Für all diese Bewegungsabläufe sind genau berechnete, präzise gebaute Antriebe nötig – man nennt sie Getriebe.
Die Bauteile eines Grundgetriebes
Grundgetriebe bestehen meist nur aus 3 bis 4 Teilen und sind dadurch übersichtlich und leicht verständlich. Man unterscheidet:
Gestell – der feste Rahmen, in dem alle beweglichen Teile gelagert sind.
Antriebsglied – nimmt die ankommende Bewegung auf.
Abtriebsglied – gibt die umgewandelte Bewegung weiter.
Koppelglied – ein Verbindungsteil, das nicht jedes Getriebe besitzt.
Wandelt um: Drehbewegung → Drehbewegung, mit umgekehrter Drehrichtung (direkter Kontakt) bzw. gleicher Drehrichtung (indirekt über einen Riemen).
Besonderheit: Es kann
Schlupf auftreten – deshalb lassen sich mit Rollengetrieben keine großen Kräfte übertragen. Das Übersetzungsverhältnis verhält sich umgekehrt zum Durchmesserverhältnis der Rollen.
Wandelt um: Drehbewegung → Drehbewegung, mit entgegengesetzter Drehrichtung (direkt) bzw. gleicher Drehrichtung (indirekt über eine Kette).
Besonderheit: Im Gegensatz zum Rollengetriebe gibt es keinen Schlupf – das konstruktiv festgelegte Übersetzungsverhältnis (umgekehrt zur Zähnezahl) wird immer exakt eingehalten.
Wandelt um: Drehbewegung → unregelmäßige Schwingbewegung.
Besonderheit: Je nach Form der Unrundscheibe lässt sich praktisch jeder denkbare Bewegungsablauf erzeugen.
Wandelt um: eine regelmäßige Bewegung → aussetzende (unterbrochene) Drehbewegung.
Besonderheit: Klassisch arbeitet ein Klinken-Zackenrad-Mechanismus (Schrittschaltwerk). Moderne Bauformen nutzen einen Klemmkörper-Freilauf (wie ein Fahrradfreilauf) – der Vorschub ist dann stufenlos statt an eine Zahngröße gebunden.
Wandelt um: Drehbewegung → geradlinige Schubbewegung.
Besonderheit: Antriebsglied ist immer die Schraube, Abtriebsglied immer das Gewindeteil – nicht umkehrbar.
Wandelt um: Drehbewegung → regelmäßige Schwingbewegung (pro Umdrehung einmal vor und zurück).
Sonderform: das Exzentergetriebe – eine nicht im Mittelpunkt, sondern exzentrisch gelagerte Scheibe hebt und senkt einen aufliegenden Hebel.
Indirekte Getriebe – wenn der Achsabstand groß ist
Bei großem Achsabstand wird die Drehleistung über ein Koppelglied übertragen:
Riemen (indirektes Rollengetriebe) – Antriebs- und Abtriebsglied drehen in gleicher Richtung. Bei hoher Belastung werden Keil- oder Zahnriemen statt Flachriemen eingesetzt, damit die Reibung ausreicht.
Kette (indirektes Rädergetriebe) – lässt im Gegensatz zum Riemen keinen Schlupf zu, dehnt sich aber unter Belastung und muss von Zeit zu Zeit nachgespannt werden, z. B. am Ausleger.
Bonus: Wälzlager – tragende Bauteile jedes Getriebes
Damit sich Antriebs- und Abtriebsglieder reibungsarm im Gestell drehen können, werden sie in Wälzlagern geführt. Die wichtigsten Bauformen unterscheiden sich in der Form ihrer Wälzkörper:
Kugellager – kugelförmige Wälzkörper, geringe Reibung, für kombinierte Radial- und Axiallasten.
Rollenlager – zylindrische Wälzkörper, hohe radiale Belastbarkeit.
Nadellager – sehr dünne, lange Wälzkörper („Nadeln“), hohe Tragfähigkeit bei besonders kompakter Bauform, oft doppelreihig ausgeführt.
Grundgetriebe-Check
Zwölf Fragen aus einem Vorrat von über 20. Zu jeder Frage gibt es genau eine richtige Antwort – nach dem Antworten siehst du die Begründung.
Getriebeart anklicken
Wähle eine der sechs Grundgetriebearten und lies nach, wie sie aufgebaut ist und wo sie an der Druckmaschine vorkommt.
Bewegungsumwandlung-Quiz
Lies die Beschreibung der Bewegungsumwandlung – errätst du die passende Getriebeart?
Was ist ein technischer Prozess? (DIN 66201)
Nach DIN 66201 ist ein technischer Prozess die Umformung oder der Transport von Material, Energie oder Information. Man unterscheidet drei Prozessarten:
Herstellungsprozesse – z. B. Text- und Bildverarbeitung, das Drucken selbst, das Zuschneiden von Bogen.
Verteilprozesse – z. B. das Lagern und Verteilen von Papier und Farbe.
Prüfprozesse – z. B. das Messen der Farbdichte, das Prüfen, ob die Farbe schon trocken ist.
Informationsfluss in technischen Prozessen
Jeder technische Prozess lässt sich durch physikalische und chemische Größen beschreiben – Geschwindigkeit, Drehzahl, Temperatur, pH-Wert, Farbdichte usw. Diese Angaben liefern Informationen über Prozesszustand und -ablauf und müssen entsprechend vorgegeben und kontrolliert werden.
Eingabe → Verarbeitung → Ausgabe
Beim Menschen: Sinnesorgane nehmen Informationen auf → das Gehirn verknüpft sie mit Erfahrung → die Hand wird aktiv.
Bei der Maschine: Messen → Vergleichen → Stellen
Der entscheidende Unterschied ist die Rückführung: Nur beim Regeln wird der Istwert gemessen und laufend mit dem Sollwert verglichen – deshalb ist der Regelkreis ein geschlossener Kreislauf, die Steuerkette ein offener.
Der Regelkreis
Eine Regelung hat die Aufgabe, trotz störender Einflüsse die Istgröße an die Sollgröße anzugleichen. Dazu gehören mindestens: die Erfassung des Istwerts, der Vergleich mit dem Sollwert, und ein Regler, der über einen Aktor eingreift.
Sensoren – wie Informationen in die Maschine kommen
Ein Sensor (Fühler) erfasst eine physikalische Größe und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Beispiele:
Potentiometer – Schiebe- oder Drehwiderstand, erfasst Wegänderungen (z. B. Farbschieber, Register).
Fotozelle / Lichtschranke – ändert den elektrischen Widerstand mit dem Lichteinfall, oft mit unsichtbarem Infrarotlicht (Reflextaster, Reflex-Lichtschranke).
Temperatur-Messwiderstand – ändert seinen Widerstand mit der Temperatur.
Kapazitiver Sensor – ein Plattenkondensator erkennt z. B. einen Doppelbogen an der Kapazitätsänderung.
Induktiver Sensor (Näherungsschalter) – erkennt berührungslos metallische Bauteile über ein elektromagnetisches Feld, z. B. als Endschalter oder zur Positionserkennung bewegter Maschinenteile.
Aktoren – wie Informationen aus der Maschine wirken
Ein Aktor (Stellglied) setzt ein elektrisches Signal in eine Aktion um. Beispiele:
Schrittmotor – dreht sich in exakten, festen Winkelschritten, zeigt seine Position direkt an, ohne Zusatzsensor.
Pneumatik-/Hydraulikzylinder – setzt Drucksignale in geradlinige Bewegung um, z. B. zum An- und Abstellen von Walzen.
Elektromagnet – rückt Kupplungen ein oder aus, öffnet oder schließt Ventile.
Störgrößen
Ein Prozess läuft nicht von allein konstant weiter. Störgrößen sind äußere Einflüsse, die ihn immer wieder aus dem Gleichgewicht bringen – z. B. eine steigende Raumtemperatur oder die Verdunstung von Alkohol im Feuchtmittel. Deshalb muss ständig nachgeregelt werden, selbst wenn die Maschine korrekt eingerichtet wurde.
Steuern oder Regeln?
Lies die Situation und entscheide: Steuern oder Regeln? Nach jeder Antwort siehst du die Begründung.
Steuern-&-Regeln-Check
Zwölf Fragen aus einem Vorrat von über 15. Zu jeder Frage gibt es genau eine richtige Antwort.
Königswelle – der klassische Antrieb
Über mehr als hundert Jahre wurde eine Druckmaschine durch einen Hauptmotor angetrieben, dessen Kraft auf eine Längswelle (die Königswelle) oder ein Rädergetriebe übertragen wird. Diese treiben über Zahnradgetriebe die einzelnen Druckwerke und weiteren Maschinenteile an und erzwingen so den Synchronlauf aller beweglichen Teile – Druckwerke, Zugwalzen, Falzapparate, Formatschneider usw.
Nachteile der Königswelle
• Sich ständig veränderndes Spiel durch mechanischen Verschleiß
• Höhere Geräuschentwicklung
• Zeitaufwändige Umrüstung, da immer mechanische Umbauten nötig sind – kein paralleles Rüsten möglich
• Erhöhter Makulatur-Anfall beim Hochlaufen durch mechanische Torsion
Direct Drive – die elektronische Welle
Der technische Fortschritt ermöglicht es, für jedes Druckwerk einen eigenen Schritt- oder Servomotor vorzusehen und diese präzise zu synchronisieren. Die elektronische Welle überträgt dabei keine Kräfte oder Drehmomente zwischen den Baugruppen, sondern nur Daten. Die Lageregelung folgt übermittelten Positionssollwerten und erreicht Gleichlaufgenauigkeiten mit Winkelabweichungen unter 0,005°.
Mit der Maschinenablaufsteuerung (SPS): Produktionsgeschwindigkeit, Steuersignale für Nebenbetriebsarten, Diagnosemeldungen, Prozessinformationen.
Über zusätzliche Ein-/Ausgabekarten: Sensordaten aus dem Prozess – z. B. das Signal einer Druckmessdose als Istwert für den Zugregler.
Vorteile im Überblick
• Paralleles Rüsten, z. B. gleichzeitiger Druckplattenwechsel in allen Druckwerken
• Fliegender Eindruckwechsel, ohne die Maschine anzuhalten
• Funktionen werden durch einfaches Parametrieren statt zeitaufwändiges Programmieren aktiviert
• Inline-Kopplung mit Papierverarbeitungsmaschinen über ein Signalkabel
• Geringerer Verschleiß und weniger Makulatur beim Anlaufen
• Rationalisierte Serienfertigung von unabhängig testbaren Einzelaggregaten
Ausblick: Push to Stop
Direct Drive und die elektronische Welle sind die technische Grundlage für den nächsten Schritt: Push to Stop, Heidelbergs Konzept einer weitgehend autonomen Druckproduktion. Dabei überwacht die Maschine ihre Prozesse selbst, erkennt Störgrößen und -abweichungen per Sensorik und Kamerasysteme und greift automatisch ein – der Bediener muss die Maschine im Idealfall nur noch stoppen, statt ständig manuell nachzuregeln. Das ist eine unmittelbare Weiterentwicklung des Regelkreis-Prinzips aus dem Modul „Steuern & Regeln“, angewendet auf die gesamte Maschine.
Antriebstechnik-Check
Zwölf Fragen aus einem Vorrat von über 15. Zu jeder Frage gibt es genau eine richtige Antwort.
Umfang, Umfangsgeschwindigkeit, Drehzahl
Bei einem Rollengetriebe wälzen sich die Rollen mit ihren Umfängen aufeinander ab. Eine Umfangsdrehbewegung von 10 cm bei Rolle A bewirkt auch bei Rolle B eine Umfangsdrehbewegung von 10 cm. Daraus folgt: Die Umfangsgeschwindigkeiten beider Rollen sind gleich, während sich die Drehzahlen umgekehrt zu den Durchmessern (Umfängen) verhalten.
U = d × π (π ≈ 3,14)
vA = vB (gleiche Umfangsgeschwindigkeit)
nA × dA = nB × dB
i = nAn : nAb = dAb : dAn (Übersetzungsverhältnis)
UA = 2,3 × 3,14 =
7,222 cm · UB = 1,15 × 3,14 = 3,611 cmÜbersetzungsverhältnis:
1 : 2 → nB = 2 U/secUmfangsgeschwindigkeit beider Rollen:
7,222 cm/secMerke: Die kleinere Rolle dreht schneller.
i = nAn : nAb = zAb : zAn
Das Übersetzungsverhältnis ist umgekehrt wie das Verhältnis der Zähnezahl z – und wird, anders als beim Rollengetriebe, immer exakt eingehalten (kein Schlupf).
Drehzahlverhältnis:
20 : 30 = 2 : 3 oder 1 : 1,5Zahnrad B dreht 1,5-mal so schnell wie Zahnrad A.
Rechen-Trainer
Die Aufgaben werden bei jedem Durchgang neu gewürfelt – der Vorrat ist unbegrenzt. Nach dem Prüfen siehst du den vollständigen Rechenweg.
Bauteil und Funktion paaren
Decke zwei Karten auf. Passen Bauteil und Funktion zusammen, bleiben sie offen.
60 Sekunden, so viele wie möglich
Es erscheint eine Definition – tippe den passenden Fachbegriff. Serie bringt Bonuspunkte, ein Fehler setzt sie zurück.