Spindel robustus

Antriebstechnik

Motorspindeln - Eine neuartige Kombination speziell entwickelter Lager von Schaeffler ermöglicht einen Evolutionsschritt hin zu einer neuen Gattung sehr robuster Motorspindeln.

08. Dezember 2011

Die Hauptspindeln einer Werkzeugmaschine sind heute in der Regel als sogenannte Motorspindeln ausgeführt. Diese direkt angetriebenen Einheiten müssen dabei sehr hohe Anforderungen an Drehvermögen und Zerspanungsleistung erfüllen.

Bei einer Motorspindel sitzt der Antrieb direkt auf der präzise gelagerten Welle der Spindel. Die Lager müssen für optimalen Rundlauf und hohe Führungsgenauigkeit vorgespannt sein und sitzen daher typischerweise an beiden Seiten des Motors, um die statische und dynamische Steifigkeit zu optimieren.

Aufgrund der hohen Leistungsdichte treten durch elektrische Verluste im Rotor im Betrieb Temperaturen bis zu 150 Grad Celsius auf. Diese führen zu großen Temperaturgradienten zwischen Welle und Gehäuse, die durch die Lagerung ausgeglichen werden müssen. In konventionellen Lagerungen liegen Fest- und Loslager in Form eines mit Federn vorgespannten Spindellagers vor. Die Vorspannung wird durch Federn zwischen Buchse und Gehäuse erzeugt. Durch die Schiebebewegung des Außenrings lassen sich Längenänderungen der Welle sowie Überstandsänderungen der Lager infolge von Drehzahl- und Temperatureinflüssen ausgleichen. Schiebebuchsen, Kugelbüchse und Federn machen die Konstruktion aufwendig und die Montage kompliziert. Die Schiebefunktion der Buchse kann infolge von Verkippungen und bei zu geringem Spiel – ausgelöst etwa durch Temperaturdifferenzen – versagen.

Diesen völlig neuartigen Marktanforderungen muss sich ein Hersteller von Motorspindeln stellen, wenn er erfolgreich sein will. Die Ingenieure der Schaeffler-Gruppe Industrie zum Beispiel haben einen Weg gefunden, indem sie zwei verschiedene Lagertypen geschickt miteinander kombiniert haben:

Durch die Verbindung der neuen Hochleistungs-Spindellagerbaureihe RS und dem thermisch robusten Zylinderrollenlager TR soll sich eine sehr hohe Drehzahleignung mit hoher Belastbarkeit und Unempfindlichkeit gegenüber wechselnden Betriebsbedingungen ergeben. Auf diese Weise lässt sich die Lagerung von direkt angetriebenen Motorspindeln im Vergleich zu konventionellen Lösungen wesentlich einfacher gestalten.

Die neuen FAG-Spindellager RS sind großkugelige Lager mit einem nominellen Druckwinkel von 20 Grad und einer reibungsoptimierten Innenkonstruktion. »Diese Eigenschaften machen RS-Lager robust gegen Veränderungen der Radialluft und verbinden die Drehzahleignung der kleinkugeligen Hochgeschwindigkeitsbaureihen mit der Robustheit und Tragfähigkeit großkugeliger Lager«, sagt dazu Dr. Martin Voll, Leiter der Abteilung Anwendungstechnik Spindellager bei Schaeffler. »Und das neue thermisch robuste FAG-Zylinderrollenlager TR vereint erstmals die sichere Loslagerfunktion von Zylinderrollenlagern mit der Eignung für hohe Drehzahlen und wechselnde Temperaturdifferenzen.«

Keine Verspannung

Anwender können das thermisch robuste Zylinderrollenlager auch bei sehr hohen Temperaturdifferenzen sicher betreiben. Es ist mit einem nachgiebigen Außenring ausgestattet, der Verspannungen durch Änderung der Radialluft ausgleicht.

Der Außenring, der nach wie vor Standardmaße hat, weist zwei Einstiche auf. Zwischen den Einstichen ist der Außendurchmesser radial leicht zurückgenommen. »Hierdurch kann sich der mittlere Bereich des Außenrings bei veränderlichen Temperaturdifferenzen radial aufweiten. Die Kontaktkraft und damit die Flächenpressung am Außenring steigen so deutlich langsamer an als bei einem Standard-Zylinderrollenlager«, erklärt Christoph von Kress, ebenfalls als Anwendungstechniker für Spindellager bei Schäffler tätig.

Die thermisch robusten Zylinderrollenlager werden typischerweise mit einem am Außenring geführten, reibungsoptimierten PEEK-Käfig ausgerüstet. »In dieser Ausführung erreichen sie überragende Drehzahlen, die bei Fettschmierung um 60 Prozent höher liegen als bei Zylinderrollenlagern, die mit Wälzkörper geführten Käfigen laufen.«

Der PEEK-Käfig ist nur einseitig am Außenring geführt. Dies ermöglicht eine optimale Schmierstoffversorgung. Überschüssiger Schmierstoff lässt sich wesentlich schneller aus dem Lager fördern.

»Die für den Fettverteilungslauf benötigte Zeit sinkt und wir können die Gefahr der Schädigung des Fettes durch Überrollung deutlich mindern«, umreißt der Techniker einen wesentlichen Vorteil der neuen Lösung. Nach dem Einlauf ergebe sich zudem ein niedrigeres Temperaturniveau mit geringerer Streuung.

Neue Möglichkeiten

Die neue Hochleistungsbaureihe RS und das thermisch robuste Zylinderrollenlager TR eröffnen neue Möglichkeiten bei der konstruktiven Gestaltung von Hauptspindellagerungen. Bei starrer Anstellung reagieren RS-Lager deutlich unempfindlicher auf Einflüsse aus Überdeckung, Drehzahl und Temperatur als konventionelle Spindellager. Daher kann es bei Verwendung von RS-Lagern in Verbindung mit der verbesserten Drehzahleignung möglich sein, statt Federanstellung konstruktiv einfachere starre Anstellungen zu verwenden. Diese technische Maßnahme vereinfacht die Spindelkonstruktion und erhöht gleichzeitig die Steifigkeit. Der Anwender von Spindellagern erhält somit größere konstruktive Freiheiten.

Die Schaeffler-Gruppe mit ihren Marken INA, LuK und FAG vertreibt weltweit Wälzlager sowie Linearprodukte und ist ein großer Zulieferer für die Automobilindustrie. An 180 Standorten in mehr als 50 Ländern erwirtschaftete Schaeffler 2010 einen Umsatz von etwa 9,5 Milliarden Euro. Mit rund 70.000 Mitarbeitern ist die Gruppe eines der größten europäischen Familienunternehmen. mk z

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2011