Reserven wirksam heben

Ausleger-Achsen – Wenn der Zeitdruck steigt und technische Hürden zu nehmen sind, ist der richtige Entwicklungspartner entscheidend – auch bei der Entwicklung einer neuen Auslegerachse für Portal- und Handlingsysteme von Festo. Am Ende stieg die Performance der Auslegerachsen in allen vier Baugrößen.

19. Juni 2019
Reserven  wirksam heben
Versuchsaufbau bei Festo: Dauerlaufversuche konnten die Ergebnisse der Bearinx-Berechnungen und der FE-Simulationen bestätigen. (© Schaeffler)

Konstruktiv betrachtet hat die neue Auslegerachse ELCC von Festo das Potenzial den Benchmark in diesem Segment zu setzen: Eine seitliche Anordnung des Zahnriementriebs und die konstruktive Trennung von Zahnriemenantrieb und INA-Profilschienenführung KUVE-B ermöglichen ein sehr schlankes, leichtes und zugleich steifes Design. Die Stirnseite der Auslegerachse dient als universelle Schnittstelle für Minischlitten und Greifer. Im Vergleich zur Vorgängergeneration bietet die neue Auslegerachse um bis zu 50 Prozent reduzierte Schwingungsamplituden und durch eine geringere bewegte Masse bis zu 30 Prozent kürzere Taktzeiten.

Wie bei Auslegerachsen üblich, liegt auch beim neuen Modell von Festo die Lastmasse weit entfernt von der Lagerung und erzeugt so ein Biegemoment. Dies führt zu einer entsprechenden Durchbiegung des Profils und einer daraus resultierenden ungleichmäßigen Verteilung der Last auf die einzelnen Wälzkörper in den Laufwagen der Profilschienenführung. Das Problem: Bei der Standard-Lagerauslegung nach Katalog werden keine Steifigkeiten der Umgebung berücksichtigt.

Speziell bei diesen Auslegerachsen hätten unter kritischen Bedingungen die zulässigen Massen auf teilweise nur 20 Prozent der sonst möglichen Massen reduziert werden müssen. Durch den Einsatz von Simulationsberechnungen sollte ermittelt werden, welche Lasten und Lastkombinationen in welcher Höhe die Profilschienenführungen in horizontaler Einbaulage ertragen können, um die geforderte Lebensdauer von 5.000 Kilometern zu erreichen.

Mit dieser Aufgabenstellung und einem hohen Zeitdruck wandte sich Festo an Christian Vogelgesang, Business Development und Key Account Management Industrial Automation bei Schaeffler. Beide Unternehmen verbindet immerhin eine 30-jährige Geschäftsbeziehung im Bereich der Lineartechnik. Maike Wegenast, Entwicklungsverantwortliche für die Auslegerachse bei Festo, betont dazu: »Für uns war die hohe Kompetenz der Schaeffler-Ingenieure bei der Auslegung und Simulation von Wälzlagerungen ein entscheidendes Kriterium für die Kontaktaufnahme.«

Kooperation als probates Mittel

Für die Berechnung der maximal zulässigen Lastkombinationen wurde eine Kooperation zwischen Festo und Schaeffler ins Leben gerufen. Festo stellte die CAD-Daten der Achsbaureihe zur Verfügung und der Schaeffler-CAE-Support generierte daraus FE-Modelle – insbesondere vom Aluminiumprofil und von der Anbindung der Laufwagen und der Profilschiene. »Die Steifigkeitsmatrizen der Achsen wurden sodann in das Schaeffler Berechnungs- und Simulations-Tool Bearinx importiert, um anschließend die Belastung in den einzelnen Wälzkontakten zu bestimmen«, erklärt Bettina Rudy, verantwortlich für die Berechnungen seitens Schaeffler.

Auch bei Festo wurden FE-Modelle entwickelt, speziell von den Profilschienenführungen und Laufwagen. Johannes Eiswirth, Global R&D Services and Exellence, Structural Mechanics and Trainings, bei Festo erklärt zu diesem Schritt: »Es war für uns wichtig, zu verstehen, wie sich die Belastung auf die einzelnen Wälzkörper verteilt und wie sie sich verändert, wenn man die Masse und die Abstände variiert. Ebenso interessierte uns, welchen Einfluss die Durchbiegung des Aluminiumprofils auf die Lastverteilung in den Laufwagen und die Wälzkörper hat.«

Dazu ermittelte er exemplarisch für eine Baugröße für eine Reihe verschiedener Lastfälle die Tragsicherheiten und zulässigen Lasten, um eine Laufleistung von 5.000 Kilometern zu erhalten. Zu den Ergebnissen erklärt der Berechnungsspezialist: »Dabei zeigte es sich, dass durch die Deformation der Umgebungskonstruktion die ersten Kugeln der lastzugewandten Seite in der Tat viel höher belastet werden als bei der Standard-Lagerauslegung. Die Übereinstimmung unserer FE-Simulation mit den Bearinx-Ergebnissen war so gut, dass wir anschließend die ganze Baureihe selbst ausgelegt haben.«

Definiert oder variabel

Zur Berechnung der maximal möglichen Belastung der Linearführung erklärt Schaeffler-Key Account Manager Christian Vogelgesang: »Um schnell vom Kunden vorgegebene Zielwerte zu erreichen, wie in diesem Fall eine Laufleistung von 5.000 Kilometern, verwendet unser CAE-Support das sogenannte Optikit in Bearinx. Für bestimmte Daten kann der Anwender bestimmte Zielwerte definieren, während andere Daten, wie beispielsweise die Lasten, variabel deklariert werden. Das Programm iteriert so lange, bis die Zielwerte unter Anpassung der entsprechenden Variablen erreicht sind. Diese Vorgehensweise spart uns sehr viel Rechenzeit und ermöglicht uns sehr schnell auf Kundenanfragen zu reagieren.«

Einfacher modellieren

Der intensive fachliche Austausch bei der Auslegung der Auslegerachse weckte in der Achsentwicklung von Festo das Interesse, mehr über die Berechnungsmodule und -programme von Schaeffler zu erfahren. Johannes Eiswirth ergänzt hierzu: »Die FE-Modellierung der Profilschienenführungen ist sehr viel aufwendiger als die Verwendung des Schaeffler-Tools Bearinx. Dort ist der Wälzkontakt rechentechnisch bereits gelöst, außerdem sind alle Geometriedaten der Schaeffler-Produkte hinterlegt. Zudem wird ein Import der Steifigkeit der Umgebungskonstruktion in Bearinx vom Schaeffler-CAE-Support angeboten. In Summe ist das ein sehr effizienter Workflow. Letztlich war dieses Projekt dann auch entscheidend dafür, dass Festo nun entwicklungsbegleitend Bearinx-online einsetzt.«

Entwicklungsteamleiter Thomas Wagner sieht noch weiteres Potenzial: »Wir sind mit dem neuen Tool nun auch in der Lage, die Applikationen, die noch über Reserven verfügen, zu identifizieren und diese realistischer zu quantifizieren. In Zukunft möchten wir diese Reserven mithilfe der verbesserten Auslegungsmöglichkeiten dazu nutzen, unsere Linearachsen bei den Kunden performanter einsetzen zu können, sei es durch kleinere Baugrößen oder angepasste Lastkombinationen.«

Nach Abschluss aller notwendigen Berechnungen und erfolgreich beendeten Dauerlaufversuchen konnte der Serienanlauf der Auslegerachsen bei Festo wie geplant mit den vier Baugrößen 60, 70, 90 und 110 Ende 2018 starten. Auf diese Weise hat sich die Zusammenarbeit von Schaeffler und Festo als sehr fruchtbar erwiesen. mkT

Infobox

Auf einen Blick

Die Schaeffler Gruppe ist ein global tätiger Automobil- und Industriezulieferer. Mit Präzisionskomponenten und Systemen in Motor, Getriebe und Fahrwerk sowie Wälz- und Gleitlagerlösungen für eine Vielzahl von Industrieanwendungen leistet die Schaeffler Gruppe bereits heute einen entscheidenden Beitrag für die »Mobilität für morgen«. Im Jahr 2018 erwirtschaftete das Technologieunternehmen einen Umsatz von rund 14,2 Milliarden Euro. Mit zirka 92.500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ist Schaeffler eines der weltweit größten Familienunternehmen und verfügt mit rund 170 Standorten in über 50 Ländern über ein weltweites Netz aus Produktionsstandorten, Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen und Vertriebsgesellschaften.

Erschienen in Ausgabe: 05/2019
Seite: 8 bis 11