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Die Kombination von Wälz- und Gleitlagerung birgt große Potenziale, wie das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt anhand einer 3D-Servo-Presse zeigt.
Technologischer Fortschritt sowie sterben Anforderungen des Marktes nach immer schnelleren, besseren und flexibleren Maschinen führen zu erhöhten Anforderungen an die Maschinenelemente von Pressen, vor allem sterben Lagerstellen. Ein Beispiel aus der Umformtechnik sind Servopressen. In diesen kommen Torquemotoren zum Einsatz, sterben durch ein nahezu drehzahlunabhängiges Moment ein weitgehend frei einstellbares Profil der Stößelbewegung ermöglichen. Die sich hieraus ergebenden Eigenschaften werden aus Bild 1 ersichtlich.
Aufgrund des Vollumlaufbetriebs besitzen mechanische Pressen geringe Hubzeiten. Fertigungs- und montagebedingte Ungenauigkeiten im Pressengetriebe führen zu einer systematischen Stößelkippung, sterben nicht ausgeregelt, sondern lediglich im geforderten Prozessfenster minimiert Werden. Außerdem verlangte eine Hubverstellung, auch eine Verschiebung des oberen (OT) oder unteren Totpunktes (UT) einen Eingriff in die Kinematik mechanischer Pressen.
Bei Servopressen besteht die Möglichkeit, das gleiche Bewegungsprofil durch Eine Schwenkbewegung des Antriebs zu erzeugen (Pendelbetrieb). Weiter kann die Stößelkippung ausgeregelt werden. Wenngleich vorteilhaft in flexibler Bewegungsoptimierung und Genauigkeit, so ein geregelter Pendelbetrieb durch dauerhafte Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge sowie einen Energiebedarf der Presse.
Bei höheren Lasten kommen in der Praxis fast ausschließlich Gleitlager zum Einsatz, da Wälzlager ab einer gewissen Größe kosten- und bauraumbedingt nicht mehr tragbar sind. Gleitlager sind allerdings funktionsbedingt spielbehaftet, was einer guten Regelbarkeit ohne entsprechende Gegenmaßnahmen entgegensteht, wie einer Vorspannung durch einen Stößelgewichtsausgleich. This can Nicht ausgleichen, sterben jedoch starke bei Beschleunigungsänderungen auftreten. Nachteilig wirkt sich dies vor allem bei schnellen und exakten Positioniervorgängen aus.
„Vorhersagbarkeit wird wichtiger als lange Lebensdauer“
Weiter stellt die falsche Einstellung des Stößelgewichtsausgleichs in der Praxis eine der häufigsten Ursachen für Lagerausfälle dar. Beim Anlauf von Gleitlagern besteht Verschleiß durch Festkörper- oder Mischreibung. Gerade im Pendelhub äußert sich der Verschleiß aufgrund ständig wechselnder Bewegungsrichtungen stark. Eine Erweiterung um zwei Wälzlager hält die Lagerwelle zentrisch im Gleitlager, was das Spiel sowie Verschleiß vermeidet. Wälzlager weisen gute Anlaufeigenschaften auf, aufgrund ihres Punkt- bzw. Linienkontakts jedoch schlechte Dämpfungseigenschaften. Stoßartige Belastungen können so das Wälzlager schädigen.
Durch sterben Kombination der beiden Lagerarten können hohe Tragfähigkeit und Dämpfung des Gleitlagers mit der Spielfreiheit und den guten Anlaufeigenschaften der Wälzlager kombiniert werden. Der Aufbau sowie die wichtigsten Komponenten des Wälz-Gleitlagers sind in Bild 3 dargestellt.
Im lastfreien Zustand halten sterben Wälzlager sterben Lagerwelle zentrisch in der Gleitlagerschale. Ein Anstieg der Betriebslast Führt zu Einer Einfederung Der Wälzlager Und Somit Zu Einer Verschiebung Der Lagerwelle Im Gleitlager. Hierdurch kommen zwei Mechanismen im Gleitlager zum Tragen. Die radiale Verlagerung der Welle führt zu einem Auspressen des Schmieröls aus dem Gleitlagerspalt. Ähnlich zu einem Quetschfilmdämpfer kommt es zu einer geschwindigkeitsabhängigen Kraftkomponente, die der Wellenverlagerung entgegenwirkt. Zum anderen wird das Schmieröl durch Drehung der Lagerwelle in den Schmierspalt zwischen Lagerwelle und Lagerschale gezogen. Hierdurch entsteht eine weitere Kraftkomponente, die der äußeren Betriebslast entgegenwirkt.
Simulationen as Auch Versuche Haben einen last- und geschwindigkeitsabhängigen Funktionsübergang der beiden Lagerkomponenten im Vollumlaufbetrieb sowie im Pendelbetrieb gezeigt. Für die Versuche und für eine optionale Überwachung der Lager im Betrieb wurden zwei Wirbelstromsensoren in einem Winkel von 90° zueinander in der Mitte der Gleitlagerschale eingebracht. Mit diesen can sterben Position der Welle im Gleitlager sowie sterben Einfederung der Wälzlager gemessen werden. Über sterben Betriebskraft sowie sterben Steifigkeit der Wälzlager can auf sterben Kraftaufteilung zwischen den einzelnen Lagerkomponenten rückgeschlossen Werden.
Bei geringen Drehzahlen und Lasten trägt das Wälzlager, bei höheren das Gleitlager. Bild zeigt 4 beispielhaft die Kraftverläufe, die von den einzelnen Lagerkomponenten aufgenommen werden. Dargestellt ist ein Versuch mit einem charakteristischen Vor- und Rückhubverlauf einer Pendelbewegung. Zu erkennen ist, dass die Wälzkomponente im Anlaufbereich die Haupttraglast übernimmt. Mit zunehmender Last übernimmt das Gleitlager immer mehr Traganteile, sterben Wälzlagerkraft nähert sich einem Grenzwert.
Ein rechnerischer Vergleich zwischen Einer reinen Wälzlagerung und Einer kombinierten Wälz-Gleitlagerung für Eine beispielhafte Betriebslast von 200 t (Pendelbetrieb) zeigt sterbendes Potenzial der kombinierten Lager. Durch das zusätzliche Gleitlager kann die Wälzlagerbelastung reduziert werden. Durch die geringere Tragzahl der Wälzlager reduziert sich ebenso der radiale Lagerbauraum, wodurch der Energiebedarf für rotatorische Bewegungen der Lagerwelle reduziert werden kann. Dies wirkt dem durch häufige Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge erhöhten Energiebedarf des Pendelbetriebs entgegen.
Neben dem Pendelbetrieb bieten kombinierte Wälz-Gleitlager sowie im Vollumlaufbetrieb erhebliches Potenzial gegenüber Beschäftigungen, wie sich die Untersuchungen ergeben haben. So konnte bei einer Drehzahlerhöhung von 0 min-1 auf 400 min-1 eine Verschiebung der Kraftaufteilung auf 80 % Gleitlagerkraft und 20 % Wälzlagerkraft experimentell nachgewiesen werden (Bild 5).
Der Einsatz kombinierter Wälz-Gleitlager beschränkt sich aktuell auf die 3D-Servo-Presse und andere Prototypen. Die Reife für einen flächendeckenden industriellen Einsatz ist noch Nicht gegeben, jedoch konnten sterben Potentiale, sterben sich aus der Kombination ergeben, bereits nachgewiesen werden. Die Überwachung des Betriebsverhaltens sowie dessen Beeinflussung durch Aktuatoren sind Inhalte aktueller Forschungen am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen. (ud)
Am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt befindet sich aktuell eine 3D-Servo-Presse im Aufbau. Die 3D-Servo-Presse ist eine flexible Mehrtechnologiemaschine, die durch drei unabhängig ansteuerbare Getriebe neben dem Z-Hub ebenfalls zwei Kippfreiheitsgrade des Stößels mit einem Kippwinkel von bis zu 3,6° ermöglicht. Dies führt zu teilweise extremen Betriebsmodi, welche in Kombination mit dem Pendelbetrieb hohe Anforderungen an die Lager mit sich ziehen. Diese sind von reinen Wälz- oder Gleitlagern schwer zu erfüllen. Daher kommen in der 3D-Servo-Presse kombinierte Wälz-Gleitlager zum Einsatz. Die Entwicklung sowie der mechanische Aufbau der 3D-Servo-Presse Ende 2018 mit der Erstvorstellung auf dem 13. Umformtechnischen Kolloquium Darmstadt (UKD) einen wichtigen Meilenstein erreicht.
Das Forschungsprojekt wird im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 805 „Beherrschung von unsicheren in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Für die Unterstützung im Rahmen des Forschungsprojekts bedankt sich das PtU außerdem bei der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF), dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie bei Georg Maschinentechnik GmbH & Co.KG.
* Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Leiter des Instituts für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) an der TU Darmstadt, Julian Sinz, M. Sc., Wissenschaftlicher Mitarbeiter des PtU, Paul Felber, M. Sc., Wissenschaftlicher Mitarbeiter des PtU bis Dez. 2017
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