Um bewegte Maschinenelemente in technischen Industrieanwendungen abzubremsen, wird bisher oft ein Aluminiumbremsrotor mit aufgeklebten Bremsbelägen verwendet. Doch besonders bei Stellantrieben mit hoher Bremsfrequenz schlägt die Längsverzahnung des Aluminiumträgers oft bereits ab etwa 300 000 Lastzyklen aus. Mit einem fasergefüllten Hightech-Verbundwerkstoff lassen sich eine deutlich verlängerte Lebensdauer sowie Geräuscharmut erreichen.
Die Autorin Iris Gehard ist freie Journalistin in München und hat den Beitrag im Auftrag der Rex Industrie-Produkte Graf von Rex GmbH, Vellberg, erstellt
Aluminiumbremsrotoren mit aufgeklebten konzentrischen Belägen werden insbesondere dann eingesetzt, wenn Rotationsbewegungen in elektrischen Antrieben abgebremst werden sollen. Aufgrund der hohen Bremsfrequenz kommt es jedoch besonders bei Stellantrieben recht schnell zum Ausfall des Aluminiumträgers: Nach etwa 200 000 bis 300 000 Lastzyklen schlägt die Längsverzahnung entlang der Verbindung zur üblicherweise stählernen Antriebswelle nach und nach aus.
Die Zähne arbeiten sich durch die ruckartige Krafteinleitung zu Beginn des Bremsvorgangs ab. Dadurch geht nicht nur die Krafteinwirkung verloren, auch die Lautstärke nimmt zu. Oft ist dann ein lautes Klappern zu hören, das in vielen Anwendungen als störend empfunden wird. Vor allem aber können Antriebe in Fertigungsanlagen nicht mehr präzise gestoppt werden und im schlimmsten Fall leidet auch die Qualität der Produkte unter den Positionierungsschwierigkeiten. Nicht zuletzt sind die Rotoren zudem ein Kostenfaktor, da sie häufiger ausgetauscht werden müssen. Stahlrotoren, die ebenfalls eingesetzt werden können, haben mit circa 1,5 Millionen Lastzyklen zwar eine um den Faktor fünf höhere Lebensdauer, rechnen sich aufgrund der höheren Herstellungskosten im Vergleich zu Aluminiumrotoren aber selten und weisen gleichzeitig ein wesentlich größeres Trägheitsmoment auf.
Verbundwerkstoff macht Rotoren widerstandsfähiger
Eine Alternative bieten die Integral- oder Monoblockrotoren der Rex Industrie-Produkte Graf von Rex GmbH, die komplett aus einem speziell entwickelten faserverstärkten Hightech-Werkstoff auf Duromer-Basis bestehen. „Dieser Verbundwerkstoff ist bei der Ausbildung der Verzahnung der üblichen Aluminium-Verzahnung weit überlegen und gleichzeitig als Reibwerkstoff für die Bremsfunktion optimal geeignet“, erläutert Dr.-Ing. Bernd Hense, Geschäftsführer der Rex Industrie-Produkte GmbH.
In Realanwendungen haben die Rotoren bereits bis zu 25 Millionen Lastzyklen durchlaufen, ohne dass die Verzahnung versagte. „Da die Lebensdauer der Rotoren im Vergleich zur beklebten Aluminiumvariante somit 100 mal höher ist, die Herstellungskosten jedoch ähnlich sind, lassen sich hier deutlich Kosten senken“, so Hense weiter.
Die hohe Dauerwechselfestigkeit der Rex-Rotoren ist durch die zähe Festigkeit des Materials und das substantiell bessere Dämpfungsverhalten des Spezial-Werkstoffs bedingt: „Je nach Anwendung wird das Duromer mit bis zu 35 Prozent hochwertigen Verstärkungsfasern gefüllt“, erläutert der Geschäftsführer. „Darunter sind Carbon-, Aramid- und Glasfasern in einer Länge von drei bis 15 Millimeter, die für eine hohe Zug- und Biegefestigkeit sorgen.“ Mit 1,7 bis 1,8 g/cm³ ist das hochdynamische Material zudem wesentlich leichter als Aluminium oder Stahl mit 2,7 und 8 g/cm³.
Duoblock-Rotor für besonders hohe Belastungen
Um auch in Bremsen mit besonderen Anforderungen an den Bremsbelag und entsprechend starker Materialbeanspruchung einen langfristig verschleißfreien Rotor einsetzen zu können, hat die Rex GmbH zusätzlich einen sogenannten Duoblock-Rotor entwickelt. Dieser besteht aus zwei verschiedenen Varianten des gleichen Grundmaterials, deren Kombination die Leistungsfähigkeiten von Bremsbereich und Verzahnung weiter steigert.
„Der Innenbereich besteht aus einem auf die Anforderungen der Verzahnung, der ringförmige Außenbereich aus einem auf die spezialisierte Bremsfunktion optimierten Werkstoff“, erklärt Hense. Beide Bereiche sind stoffschlüssig miteinander verbunden und werden in einem einzigen Produktionshub zusammen hergestellt.
Der Verzahnungsbereich innen, der darauf ausgelegt ist, hohe Drehmomente vom ringförmigen Außenbereich auf die zu bremsende Welle zu übertragen, weist durch die Verstärkungsfasern eine besonders hohe Festigkeit auf. Die Zugfestigkeit beispielsweise liegt in einem Bereich von 50 bis 200 N/mm², die Druckfestigkeit zwischen 120 und 375 N/mm². Bei Schnelltests mit reversierender Bremsbelastung wurde dieser Werkstoff bei bis zu 80 Millionen Lastzyklen ausfallfrei erprobt.
Der außen liegende Bremsbereich wird vor allem in Hinsicht auf die optimale Bremsfunktion eingestellt: „Er ist auf den richtigen Reibbeiwert, geringen Reibverschleiß und Temperaturbeständigkeit optimiert und enthält daher zusätzliche Reibmaterialien wie Graphit, spezielle Sulfide und Elastomere“, erläutert Hense. Dadurch weist seine Oberfläche je nach Einsatzgebiet und Anwendungsfall die gewünschten Bremseigenschaften auf.
Die beschriebenen Verbundmaterialien sind lösemittelfrei sowie kennzeichnungsfrei gemäß den Verordnungen 2002/95/EG, 2002/96/EG, RoHS und REACH. Die Rotoren aus dem Verbundwerkstoff können durch geschicktes Design mit Funktionen der angeschlossenen Antriebe angereichert werden. So können Bremsrotoren mit Verzahnung als Teil eines Planetengetriebes, mit konzentrischem Konus als Kupplung oder mit Verzahnung auf der Rotorwange gefertigt werden. Je nach Anforderung sind unterschiedliche Kombinationen möglich, auch mit angepressten Metallteilen.
Rex Industrie-Produkte, Tel.: 07907 9620-0, E-Mail: info@rex-industrie-produkte.de
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