antriebstechnik 1-2/2017

Mitte symmetrisches

Mitte symmetrisches Profil ein. Ebenfalls ist ein identisches Profil für die obere und untere Schiene zu erwarten, weshalb auch hier die Anbringung an einer der Schienen genügt. Die Temperaturmessung wird an folgenden Stellen durchgeführt: n ein Umgebungssensor neben dem Prüfstand n drei Sensoren entlang des Trägers n drei Sensoren entlang der oberen Profilschiene n jeweils ein Sensor an den Stirnseiten der oberen Profilschiene n ein Sensor am Lager n ein Sensor am oberen Schuh n ein Sensor am oberen Spannblock Dabei kommen zwei Arten von Temperatursensoren zum Einsatz. Längs der Profilschiene wird aus Platzgründen auf schlanke Thermoelemente zurückgegriffen, deren Gesamtfehler nach [4] folgendermaßen angegeben wird: An den restlichen Temperaturstellen befinden sich Pt100-Elemente der Klasse A. Deren Fehler beträgt [5]: Analyse unterschiedlicher Einflussfaktoren Um den Einfluss der unterschiedlichen Faktoren auf den Wärmeeintrag des Führungssystems klassifizieren zu können, müssen unterschiedliche Ausführungen von Profilschienen untersucht werden. Variiert werden demnach die Baugröße, die Vorspannklasse, der Schmierstoff und die Art der Wälzkörper. Außerdem wird der Einfluss der Komponententemperatur und des Abstreifers tiefergehend analysiert. Alle hier genannten Einflüsse werden zudem bei vier externen Belastungen (0, 5, 10 und 15 kN) untersucht. Da die Komponenten vom Hersteller bereits eingefahren geliefert werden, ist ein Einfahrprozess nicht notwendig. Aus den oben genannten zu untersuchenden möglichen Einflüssen ergibt sich eine Anzahl aus Reibkraftkennlinien, die im Zuge der Versuchsdurchführung aufgenommen werden müssen. Sechs Komponentenausführungen hinsichtlich Baugröße, Vorspannklasse, Schmierung und Wälzkörper kombiniert mit zwei Komponententemperaturen (Raumtemperatur, Temperatur bei Dauerbetrieb), zwei Abstreiferkonstellationen (mit, ohne) und vier Belastungsfällen (0 kN, 5 kN, 10 kN, 15 kN) ergeben insgesamt 96 Stribeck-Kurven. Versuchsauswertung und Vergleich Durch die Translation der Verfahreinheit werden die verspannten Schuhe über die Profilschiene bewegt und die entstehende Reibkraft über einen Kraftsensor detektiert. Dazu wird die Maschine CNC gesteuert mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten von 0,001 m/min bis 60 m/min verfahren. Zusätzlich zu der Aufnahme der Stribeck-Kurven ist auch die konkrete Temperaturverteilung innerhalb der Komponenten zu untersuchen. Diese dienen insbesondere der Validierung des später aufgezeigten Prognosemodells. Dazu werden Dauerversuche durchgeführt und das Temperaturfeld mithilfe der Pt100-Elemente aufgenommen. Der Prüfstand wird dabei über 8 h mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit von 30 m/min verfahren. Danach befindet sich der Prüfstand im Stillstand, wobei die Sensoren das Temperaturfeld weiterhin aufzeichnen und somit Informationen bzgl. der Abkühlkurve vorliegen. Profilschienenführungen werden in Bearbeitungsprozessen zumeist instationär beansprucht. Zur Umsetzung des dargestellten Ansatzes ist hierzu die Konstanz der Reibkraftcharakteristik zu zeigen. Dies wird im ersten Schritt für die Komponententemperatur durchgeführt. Bei Beginn eines Dauerversuchs liegt die Temperatur der Komponenten bei Raumtemperatur. Nach 8 h Dauerversuch ergibt sich ein höheres Temperaturniveau. Bild 02 zeigt, dass der Einfluss der Komponententemperatur als vernachlässigbar einzustufen ist. Das Diagramm zeigt den Verlauf der Reibkraft über der Komponententemperatur, welche an der Führungsschiene vorliegt (23 °C bis 32 °C). Für den technisch relevanten Temperaturbereich von 20 °C bis 35 °C kann die Reibkraft also als temperaturunabhängig angesehen werden. Die gezeigte Charakteristik ergibt sich für alle untersuchten Komponenten im gleichen Maße. Als zweiten Einfluss wird die Baugröße der Profilschienenführung variiert. Hierzu werden in Bild 03 die Versuchsergebnisse für die Baugrößen 35 und 45 gegenübergestellt. Aufgrund der größeren Wälzkörper und größeren Abstreifer liegen die Reibkräfte der größeren Komponente erwartungsgemäß über denen der kleineren Komponente. Es zeigt sich, dass die Bauform 45 eine Reibkraft aufweist, die über den Geschwindigkeitsbereich gemittelt um den Faktor 2,4 größer ist als die der Bauform 35. Ein Vergleich der Lastabhängigkeit zeigt, dass durch die Lasterhöhung auf 10 kN eine um 66 % höhere Reibkraft vorliegt. Die Baugröße weist dementsprechend einen erheblichen Einfluss auf das Reibverhalten auf. In einem weiteren Vergleich wird der Einfluss der verwendeten Wälzkörper untersucht. Dazu werden in Bild 04 die Versuchsergebnisse von Komponenten mit Rollen und welchen mit Kugeln als Wälzkörper verglichen. Die jeweiligen Kurven gleicher Wälzkörper zeigen einen parallelen Verlauf mit konstantem Versatz auf. Die Form der Wälzkörper bedingt jedoch eine unterschiedliche Charakteristik bei Variation von Last und Geschwindigkeit: n Zylinderrollen reagieren empfindlich auf Geschwindigkeitsänderungen. n Kugeln reagieren empfindlich auf Laständerungen. Deutlich wird der erste Aspekt an der im Verhältnis zu den Kugeln gesehen höheren Steigung ∂F R /∂v der Stribeck-Kurve. Die Reibkraft steigt hier signifikant um fast 60 N an, während sie bei Kugeln lediglich um ca. 15 N steigt. Daraus lässt sich schließen, dass bei der Auswahl der Wälzkörper insbesondere für Schnelllauf-Anwendungen Kugeln vorzuziehen sind, da sie weniger Reibung und damit auch weniger Wärme erzeugen. Auf der anderen Seite sind Rollen dann vorzuziehen, wenn höhere Lasten erwartet werden müssen. Der Versatz zwischen den beiden Lastfällen 0 kN und 5 kN ist mit ca. 5-10 N deutlich geringer als bei den Kugeln mit ca. 45 N. Im Vergleich der Schmierstoffe zeigt sich, dass der Schmierstoff Fett bei gleicher Last eine deutlich größere Reibung aufweist als Öl (Bild 05). Beide dem Fett zugeordneten Kurven liegen deutlich über den entsprechenden Kurven für die Ölschmierung. Dabei hat das Fett sogar einen größeren Einfluss als die zugrunde gelegte Last. Bei 0 kN Last übersteigt die Reibkraft der fettgeschmierten Komponente die Reibkraft der ölgeschmierten Komponente bei 10 kN Last. Insgesamt ergibt sich durchschnittlich eine ca. 30 % höhere Reibkraft, wenn die Profilschienenführung mit Fett betrieben wird. Dieser Umstand lässt sich mit der Zusammensetzung des 62 antriebstechnik 1-2/2017

LINEARTECHNIK Fetts begründen. Fette bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten: Grundöl, Eindicker und Additive. Während das Öl die reibungsminimierenden Eigenschaften übernimmt, sorgt der Eindicker für die pastöse Form, sodass ein Ölreservoir entsteht. Ein kontinuierlicher Zufluss von Schmiermittel ist dadurch nicht mehr notwendig. Über Additive lassen sich gewisse Eigenschaften des Fettes wie zum Beispiel die chemische Beständigkeit verbessern. Im Gegensatz zur reinen Ölschmierung befinden sich neben dem Schmierstoff also noch weitere Komponenten höherer Viskosität zwischen den sich bewegenden Körpern, wodurch es zu einer deutlich erhöhten Fluidreibung kommt [6]. Im folgenden Abschnitt soll der Einfluss der Vorspannklasse aufgezeigt werden, dabei entspricht V1 einer Vorspannung von 2 800 N, V2 einer Vorspannung von 7 500 N und V3 einer Vorspannung von 12 150 N. Wird die Profilschienenführung ohne Last betrieben, so ist kein Unterschied zwischen den Vorspannklassen zu erkennen. Das lässt sich mit dem Einfluss des Abstreifers erklären. Bei sehr kleinen Lasten wird die gesamte Reibkraft im Wesentlichen durch den Abstreifer beeinflusst, welcher von den Vorspannklassen unabhängig ist. Bei Steigerung der Last verringert sich dieser Einfluss, und die Vorspannung der Führungsschuhe gewinnt an Bedeutung. Die Versuchsergebnisse der Komponenten (Abbildung 6) zeigen, dass eine Steigerung der Vorspannklasse eine Senkung der Reibkraft zur Folge hat. Im letzten Abschnitt soll auf den Einfluss der Abstreifer eingegangen werden. Dazu werden alle Stribeck-Kurven sowohl mit als auch ohne Abstreifersystem vermessen. Ein Vergleich der Daten zeigt, dass die Abstreifer einen bedeutenden Einfluss auf die entstehende Reibkraft haben, der jedoch wesentlich von der Bauart des Schuhs und somit von der Bauform des Abstreifers abhängt. Der Einfluss des Abstreifers lässt sich nicht in einem einzelnen Wert definieren, da die durch den Abstreifer verursachte Reibkraft ein Verhalten aufweist, welches wiederum selbst einer Stribeck-Kurve ähnelt. Das Reibverhalten der Abstreifer widerspricht somit der theoretischen Annahme, dass das Coulomb‘sche Gesetz anwendbar ist, da neben der Lastabhängigkeit, die durch dieses Modell abgebildet wird, auch eine Geschwindigkeitsabhängigkeit besteht. Diese Abhängigkeit haben bereits Versuche mit Lagerdichtungen [7] gezeigt. Die im Rahmen dieser Versuchsreihe untersuchten Lasten haben einen geringeren Einfluss als die Geschwindigkeit, deren Steigerung in der Regel eine Steigerung der Reibkraft des Abstreifers zur Folge hat. Zusammenfassend zeigt das Abstreifersystem keinen konstanten Einfluss auf die Reibkraft, weswegen für verschiedene Geschwindigkeiten und Lasten auf experimentell bestimmte Werte zurückgegriffen werden sollte. Aufbau eines Prognosemodells Unter der Annahme, dass die Struktur des Prüfstands nur wenig Wärme abführt, wird der Einfluss des Prüfstands durch eine quaderförmige Platte abgebildet. Auf das Maschinenbett und andere passive Komponenten kann in diesem Modell somit verzichtet werden. Diese Annahmen reduzieren das Modell auf eine Platte, auf welcher die Profilschiene samt Führungsschuh und Aufbau angebracht sind. Diese fünf Modellteile sind durch Parameter untereinander und mit der Umgebung verknüpft. Hierbei handelt es sich um Wärmeübergangskoeffizienten, die zunächst unbekannt sind. Alle anderen 04 Vergleich der Wälzkörper 05 Vergleich der Schmierstoffe 06 Vergleich der Vorspannklassen mit Abstreifer relevanten Parameter, wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität, sind stoffabhängig. Die verwendeten Materialien sind bekannt und in der Simulationssoftware bereits hinterlegt. Konvektion lässt sich in natürliche und in erzwungene Konvektion unterteilen. Für beide Arten der Konvektion existieren theoretische Berechnungsansätze, die für das Prognosemodell herangezogen werden. Die Werte für die natürliche Konvektion werden als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Umgebung hinterlegt, während die erzwungene Konvektion als konstant angesehen antriebstechnik 1-2/2017 63