Kurze Schritte, lange Wege

Antriebstechnik

Elektrozylinder – Kurze Arbeitshübe mit hoher Frequenz sind eine enorme Belastung für fettgeschmierte Gewindetriebe und Lager. Elektrozylinder mit einer wartungsfreien Ölbadschmierung bieten hier nachweislich eine deutlich verlängerte Lebensdauer.

20. September 2011

Eine anspruchsvolle Aufgabe für elektromechanische Antriebssysteme sind schnelle Bewegungen mit kurzen Arbeitshüben und mit hoher Frequenz, deren Position sich zudem innerhalb großer Formatverstellwege unregelmäßig ändert. So erfordern zum Beispiel in der Verfahrenstechnik die Öffnungs- und Schließbewegungen verschiedener Ventile den maximalen Hub des Elektrozylinders und zugleich kleine Regelungsbewegungen. Auch pendelt zum Beispiel bei der Regelung eines Dampferzeugers der Ventilschieber bis zu fünf Mal pro Sekunde um die halbgeöffnete Stellung mit Hubbewegungen zwischen 0,3 und 6 Millimeter. Auch Einpress- und Fügevorgänge beanspruchen immer einen relativ kleinen Arbeitshub, während die Anpassung auf unterschiedliche Bauteileabmessungen weite Verstellbewegungen fordert. Typischerweise übernehmen deshalb zwei getrennte Antriebssysteme diese unterschiedlichen Bewegungen.

Die Kombination von kurzem Hub und hoher Hubfrequenz führt zu einer sehr starken mechanischen Belastung für Gewindespindel, Lagerung, Führungen und Dichtsystem, die zudem immer an der gleichen Stelle der Mechanik auftritt. Besonders problematisch sind kurzhubige Bewegungen mit hoher Frequenz bei fettgeschmierten Gewindetrieben und Lagern, weil hier Verschleißpartikel in der Kontaktzone der Wälzkörper immer wieder an derselben Stelle überrollt werden, sodass die Lebensdauer deutlich sinkt. Völlig neue Anwendungsfelder erschließen deshalb die Elektrozylinder CMS63 mit wartungsfreier Ölbadschmierung, die der Elektroantriebsspezialist SEW-Eurodrive aus Bruchsal vorgestellt hat. Hier ermöglicht die Eigenschaft des Öls, Verschleißpartikel aus der Kontaktzone abzutransportieren, den wartungsfreien Betrieb der Elektrozylinder über ihre gesamte Lebensdauer ohne aufwendige Schmierstoffbevorratung.

Das innovative Schmiersystem »M0« erlaubt jetzt auch die Einbaulage mit nach unten ausfahrender Kolbenstange, die bisher beim CMS63 nicht möglich war, weil dabei wichtige Bauteile nicht ins Ölbad eintauchten. Das neue System nutzt die ein- und ausfahrende Kolbenstange als Pumpe für einen internen Schmierölkreislauf.

Schwere Prüfung

Die hohe Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Elektrozylinder bestätigen intensive Tests, die der Hersteller auf eine spezielle Kundenanforderung hin unternommen hat. Die Applikation erforderte zehn Vor- und Rückhübe innerhalb einer Sekunde bei einem Verfahrweg von 1 Millimeter, wobei die Vorschubkraft zum Hubende hin linear ansteigen sollte. Im Testbetrieb fährt der Antrieb zehnmal pro Sekunde um 1 Millimeter in Richtung eines Tellerfederpaketes, wodurch die Kraft linear von 0,2 bis auf 6,5 Kilonewton ansteigt, und wieder zurück. Motorwelle und Spindel drehen sich dabei lediglich um 60 Grad. Nach 30 Sekunden Betrieb erfolgt ein Rück- und Vorhub mit zwei Umdrehungen der Spindel, entsprechend einer Weglänge von 12 Millimetern. Danach beginnt das Lastspiel erneut. Innerhalb von sieben Monaten Dauerbetrieb durchlief der Elektrozylinder auf diese Weise 382 Millionen Belastungszyklen ohne einen Wechsel des Schmieröls, was einer Laufleistung von 382 Kilometern entspricht. Dabei blieben Laufverhalten, Geräuschentwicklung und Dichtigkeit unverändert.

Zur Prüfung der Dauerbetriebseigenschaften unterzogen die Antriebsspezialisten aus Bruchsal die CMS-Antriebe mit Kugelumlauf- und Planetenrollengewindespindel zudem einem intensiven Anwendungstest bei schweißzangentypischen Belastungen. Der Testzyklus beginnt hier mit einem Vorschub von 120 Millimeter mit maximaler Drehzahl bis unmittelbar vor ein Federpaket. Zur Simulation von 20 Schweißpunkten folgt dann in einer Minute 20 Mal ein Kraftanstieg auf 10,5 Kilonewton über vier Millimeter Weg mit anschließendem Rückhub. Danach fährt der Elektrozylinder um 120 Millimeter in seine Ausgangsposition zurück.

Nach einer Leistung von 13 Millionen gesetzten Schweißpunkten mit Kugelumlaufspindel bzw. 12 Millionen Schweißpunkten mit Planetenrollenspindel bestätigte die Zerlegung erneut den positiven Zustand der Bauteile. Die gewählte Kraft von 10,5 Kilonewton liegt dabei deutlich über den in der Praxis üblichen Kräften bei Schweißanwendungen von 4 bis 6 Kilonewton .

Ein weiterer Test untersuchte die Gesamtlaufleistung von Dichtsystem, Führungen und Lagerungen bei maximaler Drehzahl und Maximalbeschleunigung. Dabei beschleunigte ein Standard-Elektrozylinder CMS63M mit 600 Millimeter Hub ohne äußere Belastung bei abwechselnder Drehrichtung innerhalb von 0,1 Sekunden auf die maximale Spindeldrehzahl von 4.500 min-1. Durch die fehlende Belastung sind die Wälzkörper des Kugelgewindetriebs und der Lager dabei hohen Winkelbeschleunigungen ausgesetzt.

Zehnfache Laufleistung

Insgesamt wurden dabei ohne zusätzliche Wartungsmaßnahmen 1,8 Millionen Doppelhübe zurückgelegt, entsprechend einer Gesamtlaufleistung von 2.162 Kilometer. Dabei blieben die Kolbenstangen- und Rotationsdichtung unverändert dicht. Die Wälzkörperlaufbahnen von Spindel und Lagern zeigten unauffällige Laufbilder.

Im Unterschied dazu erreichen auch technisch optimierte fettgeschmierte Elektrozylinder, wie beispielsweise die Modelle CMS50 oder CMS71 von SEW-Eurodrive mit zusätzlichem Schmierstofftank in der Spindelmutter oder mit Permanent-Nachschmiereinheiten im Nennbetriebszustand eine Laufleistung von lediglich 200 Kilometern zwischen zwei Nachschmierungen. Bei einer täglichen Laufleistung im Test von 40 Kilometer müssten herkömmliche fettgeschmierte Antriebe also nach jedem fünften Tag geschmiert werden. Die Versuchsergebnisse bestätigen damit deutliche Lebensdauerreserven der ölbadgeschmierten SEW-Antriebe gegenüber fettgeschmierten Elektrozylindern. Aktuell ist der Elektrozylinder CMS63 im Dauerlauftest bei wartungsfreien Laufleistungen über 6.000 Kilometer angekommen, ohne das Lebensdauerende erreicht zu haben.bt z

Auf einen Blick

-Der Elektrozylinder CMS63 von SEW-Eurodrive mit integrierter Ölbadschmierung besteht aus einem Servo-Antriebsmotor, in dessen Rotor Teile einer Lineareinheit integriert sind.

-Die wartungsfreie Ölbadschmierung reduziert die Reibung an Spindelmutter, Lagern und Führungen und verbessert zugleich die Wärmeabfuhr zur Gehäuseoberfläche.

-Der hermetisch dichte Elektrozylinder ohne Entlüftungsbohrungen erreicht die Schutzart IP65. Die Kolbenstangendichtung ist dauerhaft leckagefrei. Damit eignet sich der Antrieb besonders für erhöhte Anforderungen an Schutz vor Feuchtigkeit und Staub, an die Hygiene sowie bei rauem Umgebungsbedingungen.

-Lieferbar sind die Elektrozylinder derzeit in den Hublängen 100, 200, 400 und 600 Millimeter.

Erschienen in Ausgabe: 07/2011