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Linearführungen – Außergewöhnliche Performance erfordert auch außergewöhnliche Maßnahmen. Dies spiegelt sich in den INA-Linearführungen mit dem Premiumsiegel X-life wider: Konstruktive Optimierungen an den Laufbahnen und Umlenkungen sowie moderne Fertigungsmethoden ermöglichen gesteigerte Leistungsmerkmale. Ohne Konstruktionsänderung lassen sich Maschinen mit X-life präziser, tragfähiger, steifer, dynamischer und laufruhiger machen.

07. März 2017

Zur Hannover Messe 2017 präsentiert Schaeffler als neuestes Mitglied des X-life Portfolios die sechsreihigen INA-Kugelumlaufeinheiten der Baureihe Kuse-XL. Auch heute noch bieten nur sehr wenige Lineartechnik-Hersteller sechsreihige Kugelumlaufeinheiten an. Mit der Einführung dieser Bauart im Jahr 1991 fokussierte Schaeffler den Einsatz in Werkzeugmaschinen. Tatsächlich berücksichtigt die außergewöhnliche Anordnung der Laufbahnreihen mit gezielt unterschiedlichen Druckwinkeln genau die in Werkzeugmaschinen häufig vorkommenden kombinierten Belastungsrichtungen.

Sechs anstatt der üblichen vier Kugelreihen nehmen die Lasten wie folgt auf:

- Kräfte in Druckrichtung übertragen vier Kugelreihen mit einem Druckwinkel von 45 Grad.

- Zwei Kugelreihen nehmen Zugkräfte auf. Um deren Tragfähigkeit zu erhöhen, verfügen diese beiden Kugelreihen über einen steileren Druckwinkel von 60 Grad.

- Seitliche Kräfte werden von je drei Kugelreihen übertragen.

- Im Vergleich zu vierreihigen Kugelumlaufeinheiten ist die kombinierte Steifigkeit bei der sechsreihigen Ausführung um durchschnittlich 15 Prozent höher.

Die neuen Führungen Kuse X-life erreichen im Vergleich zur bisherigen Ausführung je nach Baugröße zwischen 11 und 44 Prozent höhere dynamische Tragzahlen und damit eine bis zu dreifache nominelle Lebensdauer. Damit zählen die überarbeiteten Kuse-XL Kugelumlaufeinheiten am Markt zu den steifsten und tragfähigsten Profilschienenführungen auf Kugelbasis.

Sie erhalten aus diesem Grund auch das X-life Premiumsiegel von Schaeffler als Merkmal für besonders leistungsfähige Produkte der Marken INA und FAG. Die Leistungssteigerung dieses Linearführungstyps konnte vor allem durch einige konstruktive Optimierungen erreicht werden.

Optimierte Einlaufzonen

In der Tragzone des Laufwagens erfahren die Wälzkörper Belastungen durch Vorspannung und durch äußere Kräfte. Diese Belastungen führen zur Verformung der Wälzkörper. Tritt ein Wälzkörper aus der Tragzone aus, dann erfährt dieser eine vollständige Entspannung. Der Wälzkörper gelangt praktisch lastfrei in die Umlenkzone und wird durch den Rückführkanal im Tragkörper in die Umlenkung der anderen Seite eingeschoben und gelangt so schließlich wieder in die Tragzone.

Damit der Belastungsaufbau nicht schlagartig sondern allmählich erfolgt, wird eine Einlaufzone an die Tragzone angeschliffen. Bei Wälzkörperumlaufführungen zählen diese Einlaufzonen aufgrund der tribologischen und kinematischen Bedingungen häufig zu den Stellen, die die Tragfähigkeit und Lebensdauer begrenzen. Die Einlaufzonen beeinflussen außerdem noch die sogenannte Hubpulsation.

Im Längsschnitt durch die Führung wird zudem offensichtlich, dass sich aufgrund der umlaufenden Wälzkörperkette nie eine konstante Anzahl an Wälzkörpern in der Tragzone befindet. Dieser Umstand sorgt für eine pulsierende Ausgleichsbewegung in Lastrichtung des Führungswagens.

Weniger Hubpulsation

Je nach der effektiven Anzahl von in der Lastzone befindlichen Wälzkörpern federt der Führungswagen entlang des Hubes mal mehr und mal weniger ein. Dieser Effekt wird als Hubpulsation bezeichnet und macht sich bei höheren Belastungen umso stärker bemerkbar.

Mithilfe von FEM-Tools und einem schon bei den Rollenumlaufeinheiten RUE..-E sowie den High-Speed-Kugelumlaufeinheiten Kuve..-B-HS bewährten Optimierungsverfahren, konnten die Entwicklungsingenieure die Kontur der Einlaufzonen an allen Laufbahnen so weit optimieren, dass die Hubpulsation gerade bei höheren Lasten wesentlich reduziert wird.

Bei einer äußerst seltenen Belastung von 13.750 Newton liegt das Pulsationsverhalten eines einzelnen Laufwagens der Baugröße 35 beim Vierfachen des Normalbetriebs. Im ungünstigsten Fall, beziehungsweise der theoretisch höchsten Hubbewegung, beträgt die Pulsationsamplitude eines Laufwagens beim Verfahren auf der Schiene in Belastungsrichtung etwa 0,75 Mikrometer.

Insgesamt ist dies ein sehr geringer Wert, der sich jedoch durch Hebelverhältnisse an der Umgebungskonstruktion deutlich verstärken kann und den auszuführenden Prozess negativ beeinflusst.

Dem gegenüber sind die Pulsationsamplituden des gleichen Laufwagens in X-life-Ausführung durch die optimierten Einlaufzonen um 87 Prozent reduziert. Sie betragen bei der Baugröße 35 und 1,3 Tonnen Last auf diesem einen Laufwagen weniger als 0,1 Mikrometer. Mit dieser extrem schwingungsarmen Linearbewegung ist die sechsreihige Kugelumlaufeinheit Kuse-XL von Schaeffler sogar für den Einsatz in Messmaschinen geeignet.

Dank der optimierten Laufbahnkontur ergibt sich eine weiterere und entscheidende Eigenschaft: Aus dem Umlenkbereich kommend müssen die Kugeln innerhalb kürzester Zeit auf die entsprechende Abwälzdrehzahl gebracht werden. Dabei fungiert die Einlaufzone als Beschleunigungsstreifen.

Es können sich Schubspuren auf der Laufbahn bilden, die vom Schlupf zwischen Kugel und Laufbahn in der Einlaufzone herrühren. Daher ist es nicht verwunderlich, dass in diesen Zonen als erstes Ermüdungserscheinungen auftreten, die die Lebensdauer begrenzen.

Bei der optimierten Laufbahnkontur ist das anders: Ermüdungsschäden entstehen nicht mehr schwerpunktmäßig im Bereich der Einlaufzonen, sondern sind über die gesamte Laufbahnlänge stochastisch – und damit optimal – verteilt, wenn die Lebensdauergrenze erreicht ist.

Durch die optimierte Einlaufzone erreicht die X-life-Linearführung so eine bis zu dreifache Lebensdauer im Vergleich zur bisherigen Ausführung.

Hochdynamisch

Für hochdynamische Anwendungen und sehr schnelle Fahrten hat Schaeffler die vierreihige, vollkugelige Profilschienenführung Kuve-B-HS in X-life-Qualität entwickelt. Die High-Speed-Kugelumlaufführung bietet mit zehn Metern pro Sekunde die doppelte zulässige Geschwindigkeit im Vergleich zu den üblichen Wälzkörper-Profilschienenführungen am Markt. Trotz der hohen Geschwindigkeit konnte die vollkugelige Bauweise mit Stahlwälzkörpern beibehalten werden, sodass kein Verlust an Tragfähigkeit und Steifigkeit hingenommen werden muss. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten werden normalerweise Keramikwälzkörper eingesetzt, was jedoch zu einer Reduzierung der Gebrauchsdauer führt.

Die hohe zulässige Geschwindigkeit ist aus zwei Gründen für die Lineartechnik bedeutsam: Zum einen stehen Konstrukteuren für High-Speed-Anwendungen bis zehn Metern pro Sekunde nun nicht nur die dort bislang eingesetzten Laufrollenführungen zur Auswahl, sondern auch die wesentlich steiferen und präziseren Kugelumlaufführungen. Zum zweiten können sie die Performance von Linearmodulen mit Zahnriementrieben oder mit Lineardirektantrieben voll ausnutzen: Die zulässigen und erreichbaren Geschwindigkeiten dieser Antriebselemente liegen damit deutlich über den marktüblichen fünf Metern pro Sekunde für Profilschienenführungen. Mit den vierreihigen Kugelumlaufeinheiten Kuve-B-HS lässt sich also die Dynamik von kompletten Linearachsen und Linearmodulen deutlich ohne Konstruktionsänderung steigern.

Wenig Platzbedarf

Auch die hydrostatische Linearführung HLE von Schaeffler ist überarbeitet worden. Deren besonderes Merkmal ist, dass sie im Bauraum einer konventionellen Profilschiene Platz findet. Sie kann also Profilschienenführungen ersetzen. Dies ermöglicht Maschinenherstellern, beispielsweise mit einem Maschinentyp mehrere Performanceklassen oder unterschiedliche Märkte zu bedienen.

In der zweiten Generation HLE-A-XL sind die Drucktaschen des Tragkörpers nun mit einem Gleitwerkstoff aus einer Bronzelegierung versehen. Dies gewährleistet sehr gute Notlaufeigenschaften, höchste Laufruhe und vermeidet so Beschädigungen der Führung aufgrund von Crashsituationen. Wie jede andere hydrostatische Führung auch übernimmt die HLE die Funktionen »Führen« und »Dämpfen« ohne zusätzliche Dämpfungselemente.

Da die vier- und sechsreihigen X-life-Wälzkörper-Profilschienenführungen Kuve und Kuse über Standardabmessungen verfügen, lassen sie sich auch in die INA-Linearmodule, -Tandemmodule, -Klemmmodule und angetriebenen Lineareinheiten integrieren. Mit dieser Kombination sind die herausragenden speziellen Fähigkeiten der X-life-Linearführungen auf komplette Ein- und Mehrachssysteme übertragbar.

Auf diese Weise lassen sich mit minimalstem Konstruktionsaufwand Hochleistungsachsen für die Automatisierungstechnik realisieren. mk z

Mit X-life eröffnen sich erweiterte Konstruktionsmöglichkeiten:

- Bei gleicher Belastung und unverändertem Bauraum erhöht sich die Lebens- und Gebrauchsdauer der X-life-Lager. Wartungsintervalle können verlängert werden.

- Umgekehrt ermöglicht das X-life-Lager im gleichen Bauraum und bei gleicher Lebensdauer eine höhere Belastung.

- Bleiben Lebensdauer und Belastung unverändert, ermöglichen die X-life-Lager eine Leistungsverdichtung und erlauben Bauraumoptimierung und Gewichtsreduzierung.

Erschienen in Ausgabe: 02/2017