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Wälz-Gleitlager Kombinierte Wälz-Gleitlager – Anforderungsgerechter Funktionsübergang

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Julian Sinz, Paul Felber* / Ute Drescher

Die Kombination von Wälz- und Gleitlagerung birgt große Potentiale, wie das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt anhand einer 3D-Servo-Presse zeigt.

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Stößelkippung und Hubverstellung bei starrer Kinematik und im Pendelbetrieb
Stößelkippung und Hubverstellung bei starrer Kinematik und im Pendelbetrieb
(Bild: TU Darmstadt)

Technologischer Fortschritt sowie die Anforderungen des Marktes nach immer schnelleren, besseren und flexibleren Maschinen führen zu erhöhten Anforderungen an die Maschinenelemente von Pressen, vor allem die Lagerstellen. Ein Beispiel aus der Umformtechnik sind Servopressen. In diesen kommen Torquemotoren zum Einsatz, die 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, die nicht ausgeregelt, sondern lediglich im geforderten Prozessfenster minimiert werden kann. Zudem verlangt eine Hubverstellung, also eine Verschiebung des oberen (OT) oder unteren Totpunktes (UT) einen Eingriff in die Kinematik mechanischer Pressen.

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Bei Servopressen besteht die Möglichkeit, das gleiche Bewegungsprofil durch eine Schwenkbewegung des Antriebs zu erzeugen (Pendelbetrieb), wodurch eine flexible Programmierung des OT und UT erfolgen kann. Weiterhin kann die Stößelkippung ausgeregelt werden. Wenngleich vorteilhaft in Sachen flexibler Bewegungsoptimierung und Genauigkeit, so führt ein geregelter Pendelbetrieb durch dauerhaft wechselnde Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge jedoch zu erhöhten Lagerbelastungen sowie einem erhöhten Energiebedarf der Presse.

Kombination verbindet Vorteile

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. Dieser kann Rucke jedoch nicht ausgleichen, die bei starken Beschleunigungsänderungen auftreten. Nachteilig wirkt sich dies vor allem bei schnellen und exakten Positioniervorgängen aus.

Weiterhin 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 anfängliches Spiel sowie Verschleiß vermeidet. Wälzlager weisen gute Anlaufeigenschaften auf, besitzen aufgrund ihres Punkt- bzw. Linienkontakts jedoch schlechte Dämpfungseigenschaften. Stoßartige Belastungen können so das Wälzlager schädigen.

Durch die Kombination der beiden Lagerarten kann die hohe Tragfähigkeit und Dämpfung der Gleitlager 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.

Kombinierte Lager im Pendelbetrieb

Im lastfreien Zustand halten die Wälzlager die 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 als 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 kann die Position der Welle im Gleitlager sowie die Einfederung der Wälzlager gemessen werden. Über die Betriebskraft sowie die Steifigkeit der Wälzlager kann auf die Kraftaufteilung zwischen den einzelnen Lagerkomponenten rückgeschlossen werden.

Bei geringen Drehzahlen und Lasten trägt vorwiegend das Wälzlager, bei höheren das Gleitlager. Bild 4 zeigt 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, die Wälzlagerkraft nähert sich einem Grenzwert.

Potentiale kombinierter Lagerungen

Ein rechnerischer Vergleich zwischen einer reinen Wälzlagerung und einer kombinierten Wälz-Gleitlagerung für eine beispielhafte Betriebslast von 200 t (Pendelbetrieb) zeigt die Potentiale der kombinierten Lager. Durch das zusätzliche Gleitlager kann die Wälzlagerbelastung reduziert werden, wodurch die notwendige Tragzahl reduziert und die Lebensdauer erhöht werden kann. 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 ebenso im Vollumlaufbetrieb erhebliches Potential gegenüber konventionellen Lagerungen, wie 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 die Potentiale, die sich aus der Kombination ergeben, bereits nachgewiesen werden. Die Überwachung des Betriebsverhalten sowie dessen Beeinflussung durch Aktuatoren sind Inhalte aktueller Forschungen am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen. (ud)

Danksagung

Das Forschungsprojekt wird im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 805 „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Für die Unterstützung im Rahmen des Forschungsprojekts bedankt sich das PtU zudem bei der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungs¬vereinigungen (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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