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Schaeffler-INA-Linearführungen in X-life-Qualität

Gesteigerte Leistungsmerkmale
Schaeffler-INA-Linearführungen in X-life-Qualität

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, in Verbindung mit modernen Fertigungsmethoden, ermöglichen deutlich gesteigerte Leistungsmerkmale. Der große Vorteil: Ohne Konstruktionsänderung können Anwender mit X-life ihre Maschinen präziser, tragfähiger, steifer, dynamischer und laufruhiger machen.

Jürgen Klein, Leiter Marketing & Kommunikation Industrial Automation/Lineartechnik, Schaeffler, Homburg/Saar

Zur Hannover Messe 2017 präsentierte Schaeffler als neuestes Mitglied des X-life-Portfolios die sechsreihigen INA-Kugelumlaufeinheiten der Baureihe Kuse-XL. Auch heute noch bieten nur wenige Lineartechnikhersteller sechsreihige Kugelumlaufeinheiten an. Mit der Einführung dieser Bauart im Jahr 1991 fokussierte Schaeffler den Einsatz in Werkzeugmaschinen.
Sechs anstatt der üblichen vier Kugelreihen
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°
  • Zwei Kugelreihen nehmen Zugkräfte auf. Um deren Tragfähigkeit zu erhöhen, verfügen diese beiden Kugelreihen über einen steileren Druckwinkel von 60°
  • Seitliche Kräfte werden von je drei Kugelreihen übertragen
Im Vergleich zu vierreihigen Kugelumlaufeinheiten ist die kombinierte Steifigkeit bei der sechsreihigen Ausführung um durchschnittlich 15 % höher.
Hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit auf Kugelbasis
Die neuen Führungen erreichen im Vergleich zur bisherigen Ausführung je nach Baugröße zwischen 11 und 44 % 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 daher auch das X-life-Premiumsiegel als Merkmal für besonders leistungsfähige Produkte der Marken INA und FAG. Die Leistungssteigerung dieses Linearführungstyps konnte vor allem durch die nachfolgend beschriebenen konstruktiven Optimierungen erreicht werden.
Einlaufzone und Lebensdauer
In der Tragzone des Laufwagens erfahren die Wälzkörper Belastungen durch Vorspannung und 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 dieser Belastungsaufbau nicht schlagartig sondern allmählich erfolgt, wird an die Tragzone eine Einlaufzone 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.
Einlaufzone und Hubpulsation
Im Längsschnitt durch die Führung wird 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. Je nach effektiver Anzahl von Wälzkörpern in der Lastzone 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. Bei einem Lastverhältnis von etwa Cdyn/P = 2 sind am einzelnen Wälzkörperumlauf in Druckwinkelrichtung Pulsationsamplituden von bis zu 1 µm (Peak to Peak) keine Seltenheit.
Mithilfe von FEM-Tools und einem schon bei den Rollenumlaufeinheiten RUE…-E und 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.
Pulsationsamplituden um 87 % gesenkt
Das Bild unten links zeigt das Pulsationsverhalten eines einzelnen Laufwagens der Baugröße 35, der mit 13.750 N belastet wird. Solche Belastungen sind äußerst selten und liegen um das Vierfache über dem Normalbetrieb eines Laufwagens. Das Diagramm zeigt den ungünstigsten Fall bzw. die theoretisch höchste Hubbewegung die ein Laufwagen beim Verfahren auf der Schiene in Belastungsrichtung ausführen kann. Die Pulsationsamplitude beträgt etwa 0,75 µm. Insgesamt ist dies ein sehr geringer Wert, der sich jedoch durch Hebelverhältnisse an der Umgebungskonstruktion deutlich verstärken kann und den auszuführenden Prozess negativ beeinflusst. Demgegenüber zeigt das Bild unten rechts das Pulsationsverhalten des gleichen Laufwagens in X-life-Ausführung.
Die optimierten Einlaufzonen reduzieren die Pulsationsamplituden um 87 %. Sie betragen bei dem oben genannten Beispiel einer Baugröße 35 und 1,3 t Last auf diesem einen Laufwagen weniger als 0,1 µm. Mit dieser extrem schwingungsarmen Linearbewegung ist die sechsreihige Kugelumlaufeinheit Kuse-XL sogar für den Einsatz in Messmaschinen geeignet.
Höhere Lebensdauer durch optimierte Einlaufzone
Die optimierte Laufbahnkontur weist noch einen weiteren und entscheidenden Vorteil auf: Aus dem Umlenkbereich kommend müssen die Kugeln innerhalb kurzer 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. Die X-life-Linearführung erreicht so eine bis zu dreifache Lebensdauer im Vergleich zur bisherigen Ausführung.
Vierreihige High-Speed-Kugelumlaufführungen
Für hochdynamische Anwendungen und sehr schnelle Fahrten wurde die vierreihige, vollkugelige Profilschienenführung Kuve-B-HS in X-life-Qualität entwickelt. Sie bietet mit 10 m/s 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 10 m/s nun nicht nur die dort bislang eingesetzten Laufrollenführungen zur Auswahl, sondern auch die wesentlich steiferen und präziseren Kugelumlaufführungen. Zum zweiten kann nun die Performance von Linearmodulen mit Zahnriementrieben oder mit Lineardirektantrieben voll ausgenutzt werden: Die zulässigen und erreichbaren Geschwindigkeiten dieser Antriebselemente liegen nämlich deutlich über den marktüblichen 5 m/s für Profilschienenführungen. Mit den vierreihigen Kugelumlaufeinheiten Kuve-B-HS lässt sich also ohne Konstruktionsänderung die Dynamik von kompletten Linearachsen und Linearmodulen deutlich steigern.
Linearmodule mit X-life-Linearführungen
Da die vier- und sechsreihigen X-life-Wälzkörper-Profilschienenführungen Kuve-B-HS und Kuse-XL über Standardabmessungen verfügen, sind sie selbstverständlich auch in die INA-Linearmodule, -Tandemmodule, -Klemmmodule und angetriebenen Lineareinheiten integrierbar. Mit dieser Kombination sind die herausragenden USPs der X-life-Linearführungen auf komplette Ein- und Mehrachssysteme übertragbar. Auf diese Weise lassen sich mit minimalem Konstruktionsaufwand Hochleistungsachsen für die Automatisierungstechnik realisieren. bec
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