Automatische Schiebetür auf dem Fluchtweg: Antrieb, Selbsthemmung und Quetschschutz
Der Werkraum im Erdgeschoss besitzt eine Schiebetür zum Pausenhof, die gleichzeitig als Fluchtweg dient. Der NwT-Kurs will sie motorisieren: Türblatt 60 kg auf Rollenführungen mit einem Reibwert von 0,02, Endgeschwindigkeit 0,8 m/s, Beschleunigung 0,4 m/s², Antrieb über ein Ritzel mit 40 mm Durchmesser. Vorgesehen ist ein 24-V-Getriebemotor mit 1,2 Nm Abtriebsmoment bei 400 min⁻¹ an der Ritzelwelle; das Getriebe ist ein selbsthemmendes Schneckengetriebe. Die Steuerung soll über einen Taster im Werkraum und eine Lichtschranke an der Schließkante verfügen. Der Hausmeister weist darauf hin, dass die Tür im Brandfall von innen ohne Strom zu öffnen sein muss und dass niemand zwischen Türblatt und Rahmen eingeklemmt werden darf. Der Kurs hat vier Wochen Zeit und ein Budget von 300 €; ein Sicherheitsrelais kostet allein 90 €.
1. Berechnen Sie das erforderliche Abtriebsmoment am Ritzel für die Beschleunigungsphase und prüfen Sie, ob der gewählte Getriebemotor ausreicht. Beurteilen Sie auch die Geschwindigkeit.
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Kräfte: Beschleunigungskraft F_a = m · a = 60 kg · 0,4 m/s² = 24 N. Rollwiderstand F_r = μ · m · g = 0,02 · 60 · 9,81 ≈ 11,8 N. Summe F ≈ 35,8 N.
Moment: r = 20 mm = 0,02 m → M = F · r ≈ 35,8 · 0,02 ≈ 0,72 Nm.
Vergleich: Verfügbar sind 1,2 Nm, also rund das 1,7-Fache. Das reicht rechnerisch, ist aber knapp: Der Reibwert kann durch verschmutzte Rollen, Kälte und Fettschicht steigen, und das Nennmoment des Motors wird bei Anlauf und bei 24-V-Versorgung mit Spannungseinbruch nicht gehalten. Für eine Sicherheitsfunktion sollte mindestens das Doppelte angesetzt werden.
Geschwindigkeit: v = 2π · n · r = 2π · (400/60) s⁻¹ · 0,02 m ≈ 0,84 m/s. Das passt zur Vorgabe von 0,8 m/s, liegt aber an der oberen Grenze. Bei 0,8 m/s muss die Schließkante in der letzten Phase deutlich langsamer werden, sonst ist die Quetschkraft nicht zu beherrschen. Empfehlung: Getriebemotor mit mehr Moment und einer Endlagenschaltung, die die Geschwindigkeit auf 0,2 m/s reduziert.
2. Der Motor hat ein selbsthemmendes Schneckengetriebe. Beurteilen Sie diese Wahl im Hinblick auf die Lage der Tür im Fluchtweg und schlagen Sie eine Alternative vor.
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Selbsthemmung bedeutet: Die Tür lässt sich von Hand nicht oder nur mit sehr hoher Kraft bewegen, weil die Rücktreibung über die Schnecke blockiert. Für eine normale Innentür wäre das ein Vorteil, weil das Blatt nicht von selbst rollt. Für eine Tür im Fluchtweg ist es ein sicherheitskritischer Nachteil: Bei Stromausfall, bei ausgelöster Steuerung oder bei blockiertem Motor muss die Tür in Fluchtrichtung mit einer Hand und ohne Werkzeug zu öffnen sein; zulässig sind dabei Kräfte in der Größenordnung von 220 N.
Bewertung: Das Schneckengetriebe verletzt damit eine Muss-Anforderung, die höherrangig ist als der Komfort der Selbsthemmung. Eine Notstromversorgung löst das Problem nur teilweise, weil sie selbst ausfallen kann und die Tür dann immer noch blockiert.
Alternativen:
- Riemen- oder Zahnriemenantrieb mit elektromagnetischer Kupplung, die im stromlosen Zustand löst (Freilauf).
- Antrieb, der die Tür im stromlosen Zustand gegen eine Feder oder ein Gegengewicht öffnet.
- Mechanische Break-out-Funktion, bei der das Türblatt aus der Führung herausgedrückt werden kann.
Die Entscheidung lautet: Schneckengetriebe verwerfen, lösbare Kupplung plus definierte Handkraft vorsehen und die Funktion im stromlosen Zustand nachweisen.
3. Entwerfen Sie ein Sicherheitskonzept gegen Quetschen und erläutern Sie, warum eine reine Software-Kraftbegrenzung nicht ausreicht.
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Konzept:
- Lichtschranke oder Lichtvorhang entlang der gesamten Schließkante, nicht nur ein Punktstrahl, mit Abschaltung vor dem Erreichen des Hindernisses.
- Kraftbegrenzung an der Schließkante auf höchstens 150 N, gemessen mit einer Kraftmesszange, und Reduzierung der Geschwindigkeit in den letzten 200 mm.
- Schließfreigabe nur nach einem Selbsttest der Schutzeinrichtungen vor jeder Fahrt, mit Zweikanaligkeit und einem Sicherheitsrelais, das den Motor direkt abschaltet.
- Not-Aus im Werkraum, gut sichtbar, und ein Warnsignal (Blinkleuchte) während der Bewegung.
- Kein automatisches Schließen, solange eine Person im Türbereich erkannt wird; nach einem Stopp muss die Tür neu freigegeben werden.
Warum Software allein nicht reicht: Eine Software-Kraftbegrenzung hängt von Sensorik, Rechenzeit und Leistungselektronik ab. Ein einzelner Fehler, etwa ein klebender Taster, ein hängender Mikrocontroller oder ein kurzgeschlossener MOSFET, kann dazu führen, dass der Motor trotz erkanntem Hindernis weiterläuft. Die Schutzwirkung muss deshalb in einer unabhängigen, einkanalig nicht umgehbaren Ebene liegen und selbstüberwacht sein; die Software darf nur die Komfortfunktionen tragen. Bei einem Budget von 300 € ist das Sicherheitsrelais deshalb nicht optional, sondern die Bedingung dafür, dass die Tür überhaupt betrieben werden darf.