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Spindellager Neue Freiheit in der Motorspindelkonstruktion

Autor / Redakteur: Dr. Michael Pausch und Dr. Martin Voll / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Mit den neuen High-Speed-Spindellagern von Schaeffler können Anwender die Belastbarkeit ihrer Motorspindeln weiter steigern. Bezugsgrößen sind: Spindelleistung, mechanische Kräfte, Temperatur und Drehzahl. Schaeffler wird die neuen Spindellager auf der EMO 2017 präsentieren.

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Die X-life M-Baureihe ist in drei Varianten mit unterschiedlicher Performance verfügbar: M, HCM und VCM. Sie unterscheiden sich in der Ausführung und den Eigenschaften und eigenen sich so für unterschiedliche Anwendungen.
Die X-life M-Baureihe ist in drei Varianten mit unterschiedlicher Performance verfügbar: M, HCM und VCM. Sie unterscheiden sich in der Ausführung und den Eigenschaften und eigenen sich so für unterschiedliche Anwendungen.
(Bild: Schaeffler)

Im Vergleich zu konventionellen Spindeln weisen Motorspindeln einige Vorteile bezüglich Drehzahl, Dynamik und Schwingungsverhalten auf. Zudem sind sie sehr kompakt aufgebaut. Das bedingt aber auch Nachteile: Durch die Integration des Motors in die Spindel müssen für eine einwandfreie Funktion und lange Spindellebensdauer die elektrischen Verluste in Form von Wärme gut abgeführt werden.

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Aufgrund der hohen Leistungsdichte treten heute am Rotor durchaus Temperaturen von bis zu 150 °C auf. Diese bewirken große Temperaturgradienten und unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Welle und Gehäuse, die durch die Lagerung axial und radial ausgeglichen werden müssen. Dazu addiert sich die Aufweitung der Lagerinnenringe durch die Fliehkräfte. Entwicklungsziel bei Spindellagern ist es, die Änderung der Lagervorspannung über einen weiten Bereich der Betriebsparameter möglichst gering zu halten. Die Zunahme der Vorspannung ist nur in gewissen Grenzen erwünscht, da mit größerer Vorspannung die Reibung und Wärmeentwicklung im Wälzkontakt sehr stark steigt und so die maximal zulässige Grenzdrehzahl reduziert werden muss.

Des Weiteren sollten Spindellager unempfindlich gegenüber Verschmutzung – insbesondere Partikeleinlagerungen und Kontamination mit Kühlschmierstoff – sowie tolerant gegenüber Mischreibung bzw. Mangelschmierung sein. An Motorspindellager werden somit allerhöchste Anforderungen gestellt.

Neues Spindellager-Design

Am Spindellagermarkt haben sich im Wesentlichen drei Designs etabliert, die man durch die Größe der Wälzkörper kategorisieren kann:

  • großkugelige Baureihen mit einer hohen Tragfähigkeit,
  • kleinkugelige Baureihen für sehr hohe Drehzahlen und
  • Designs mit mittelgroßen Kugeln.

Letztere versuchen die positiven Eigenschaften groß- und kleinkugeliger Lager zu vereinen. Schaeffler kombinierte bei den neuen X-life High-Speed-Spindellagern der M-Baureihe die kinematische Drehzahleignung der kleinkugeligen Hochgeschwindigkeitsbaureihen mit der Robustheit großkugeliger Lager. Kugelgröße, Laufbahnkontur (Schmiegung) und Druckwinkel werden in Kombination mit der Radialluft gezielt abgestimmt, so dass die Lagervorspannung in allen Betriebszuständen möglichst wenig zunimmt.

M-Baureihe in drei Varianten

Durch die optimierte Innenkonstruktion verhalten sich die X-life Spindellager der M-Baureihe robuster gegenüber sich verändernden Betriebsbedingungen in der Spindel und ermöglichen hohe Betriebs- und Grenzdrehzahlen. Die M-Baureihe ist in drei Varianten mit unterschiedlicher Performance verfügbar: M, HCM und VCM. Basis sind die Maßreihen 70 und 719 und nominelle Druckwinkel von 17° bzw. 25°. Die drei Variante unterscheiden sich wie folgt:

  • Die Kugeln und Ringe der X-life High-Speed-Spindellager M sind aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 gefertigt. Diese Variante stellt eine leistungsfähige und wirtschaftliche Lagerlösung für Motorspindeln dar.
  • Die X-life High-Speed-Spindellager HCM sind mit Kugeln aus Keramik bestückt, während die Ringe aus Wälzlagerstahl 100Cr6 bestehen. Durch die sehr hohe Drehzahleignung und Leistungsfähigkeit bietet die Variante HCM die Möglichkeit, die Leistung von Motorspindeln weiter zu steigern.
  • Die Kugeln der X-life High-Speed-Spindellager VCM sind ebenfalls aus Keramik, die Lagerringe jedoch aus dem neu entwickelten Hochleistungswerkstoff Vacrodur gefertigt.

Hochleistungswerkstoff entwickelt

Vacrodur ist bei Temperaturen von über 400 °C mechanisch und thermisch stabil. Spindellager aus Vacrodur bleiben daher auch bei sehr hoher thermischer Belastung, wie sie z. B. durch die Abwärme in einer Motorspindel entsteht, extrem maß- und formstabil und hochbelastbar. Auch bei Schmierstoffverschmutzung mit Fremdpartikeln überzeugt Vacrodur: Eine sehr hohe mechanische Belastbarkeit – gerade bei gestörten Schmierverhältnissen wie Mangelschmierung oder Kontamination – zeichnen diesen Stahl aus.

In Versuchen unter kontrollierten Verschmutzungsbedingungen konnte im Vergleich zum bisherigen Benchmark eine fast 25-fache Steigerung der Gebrauchsdauer bis zum Lagerausfall realisiert werden. Unter guten Schmierbedingungen ist die dynamische Tragfähigkeit von Vacrodur um 240 % größer als die des Standardwälzlagerstahls 100Cr6. Dies entspricht einer 13-fachen Verlängerung der nominellen Lagerlebensdauer.

Variante VCM bietet konstruktive Freiheiten

Die VCM-Variante bietet große konstruktive Freiheiten: Die höhere Tragfähigkeit der VCM-Lager eröffnet Konstrukteuren beispielsweise die Möglichkeit, im Satz gepaarte Lagerungen durch ein Lager zu ersetzen. So kann die Spindel um eine oder zwei Lagerbreiten verkürzt werden. Der geringere Montageaufwand reduziert die Kosten und der Wärmeeintrag wird reduziert. In einigen Fällen besteht auch die Möglichkeit, auf die aufwändige Federanstellung in der Spindel zu verzichten und eine kostengünstige, starr angestellte Lagerung einzusetzen.

Die X-life Spindellager der M-Baureihe können sowohl offen als auch befettet oder abgedichtet ausgeführt werden. Optional sind die Lager auch in Direct-Lube-Ausführung mit Schmierbohrungen und Dichtringen am Außenring lieferbar. Sie sind universell abgepasst, wodurch diese sich ohne zusätzlichen Aufwand beliebig zusammenstellen lassen.

Leistungsbereiche der Spindeln steigern

Mit den X-life High-Speed-Spindellagern M, HCM und VCM können Spindelhersteller die mechanische und thermische Belastbarkeit und somit die Leistungsbereiche ihrer Spindeln nachweislich steigern. Die Vorteile der optimierten Innenkonstruktion zeigen sich speziell bei ungewollten Betriebszuständen, welche üblicherweise mit stark ansteigenden Temperaturen im Wälzkontakt einhergehen. Hier bieten die neuen Spindellager Sicherheitsreserven und beugen damit dem vorzeitigen Spindelausfall vor. Längere Maschinenlaufzeiten, geringere Wartungs- und Stückkosten werden den Kunden einen Wettbewerbsvorsprung sichern. (sh)

* Dr. Michael Pausch ist Leiter Produktentwicklung Industrial Automation Rotativprodukte bei der Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG. Dr. Martin Voll ist Leiter Anwendungstechnik Produktionsmaschinen bei der Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG

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