antriebstechnik 2/2025

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNGReibmomentes über der Verfahrgeschwindigkeit der Maschinenachse.Maschinenachsen beschleunigen unter Nutzung des maximaleingestellten Rucks und der Beschleunigung bis zur Eilgang-/Vorschubgeschwindigkeit.Diese fahren entweder anschließendmit konstanter Geschwindigkeit oder reduzieren direktwieder die Geschwindigkeit zur Erreichung der nächstenPosition oder Bahnkurve. Die Reibung während der Beschleunigungsphasezeigte einen degressiven Anstieg, der bei der maximalenMessgeschwindigkeit von 20 m/min zu einer Beharrungkam. Gegenstand der Messung war die Reibung der komplettenKGT-Mutter mit Dichtungen.Ein weiterer Versuch untersuchte den Einfluss des Verfahrzyklusauf die Entwicklung der Temperatur an der Kugelgewindetriebspindelund -mutter über der Zeit bei unterschiedlichendurchschnittlichen Geschwindigkeiten. Bild 05 zeigt bei drei unterschiedlichenVerfahrzyklen den Reibmoment- und Temperaturverlauf.Die Verfahrzyklen unterscheiden sich bezüglich derdurchschnittlichen Geschwindigkeit. Der Hub der Bewegung betrugtjeweils 250 mm bei einer Beschleunigung von 20 m/s 2 undeiner maximalen Geschwindigkeit von 20 m/min. Unterschiedegab es bei den Pausen zwischen den einzelnen Verfahrbewegun-gemitteltes Reibmoment in [Nm]04 Verlauf des Reibmomentes des KGT über derVorschubgeschwindigkeit1,210,80,60,40,2KGT-Vorschubachse00 5 10 15 20Vorschubgeschwindigkeit [m/min]gen. Ein Dauerlauf hatte keine Pause in den Endlagen, währenddie beiden anderen Zyklen 0,8 s bzw. 2,4 s Pause an den Endlagenhatten. Die längeren Pausen führen zu einer geringeren umgesetztLeistung und ermöglicht eine höhere konvektive Abstrahlung.Sowohl die geringere Reibleistung als auch die höhere Konvektionführt zu ca. 11 K niedrigeren Temperaturwerten bei 2,4 sPause. Weiterhin ist auch zu beobachten, dass zunehmendeTemperatur zu geringerem Reibmoment führen. Bei den durchgeführtenVerfahrzyklen weisen die Temperaturen an dem KugelgewindetriebZeitkonstanten von 30 bis 45 Minuten auf. DieseZeitkonstanten spielen bei Maschinen ohne Linearmaßstäbe inBezug auf die Genauigkeit der Bearbeitung eine erhebliche Rolle.Bei unterschiedlichen Belastungen oder Stillstand verändert sichdie Temperatur entsprechend der eingetragenen Wärme. Diesführt zu Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung. Die Kenntnis derthermischen Zeitkonstante lässt den Einsatz von Kompensationsmaßnahmenbeispielsweise mittels Kalibriermessungen andefinierten Punkten zu.Zur Erfassung weitere Einflüsse wurden vergleichende Messungenmit unterschiedlichen Schmierstoffen sowie mit/ohnemontierte Dichtungen/Abstreifern an der KGT-Mutter durchgeführt.Auch hier kamen die drei unterschiedlichen Verfahrzyklenim Dauerlauf sowie 0,8/2,4 Sekunden Pause zwischen den einzelnenHüben zur Verwendung. Die Ergebnisse dieser Messungensind in der folgenden Bild 06 enthalten. Es ist die geringereTemperatur bei längeren Pausen und dem Fehlen des Reibungsanteilsder Dichtungen zu beobachten. Die Eigenschaften derSchmierstoffe lassen den Schluss zu, dass eine geringere Viskositättendenziell zu geringerer Reibung führt.Die Messungen der Temperatur an dem Antrieb mittels einesberührenden Sensors wurde an die unterschiedlichen Stellen beikurzzeitigem Stillstand der Vorschubachse vorgenommen. DieTemperatur der KGT-Mutter fand an den beiden Enden sowie dieMessung der Temperatur an der KGT-Spindel an einer Positionungefähr in der Mitte des Verfahrbereiches statt. Neben der KGT-Mutter entsteht an dem System auch in der KGT-Lagerung sowiedem Vorschubmotor Wärme. Die Lagerung und der Motor sind05 Temperaturabhängigkeit von der Pausenzeit0,7Einfluss der Belastung auf das Reibmoment / die Temperatur500,6450,540Reibmoment M [Nm]0,40,30,20,1353025Temperatur TM3 [°C]0200 20 40 Zeit [min] 60 80 100DG1D (Ohne Dichtung) Dauerlauf MomentDG2D (Ohne Dichtung) Pause 0,8s MuttermomentDG3D (Ohne Dichtung) Pause 2,4s Muttermoment DG1D (Ohne Dichtung) Dauerlauf TemperaturDG2D (Ohne Dichtung) Pause 0,8s Temperatur DG3D (Ohne Dichtung) Pause 2,4 s Temperatur48 antriebstechnik 2025/02 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNGin/an einem Gehäuse adaptiert. Der Motor gibt einenerheblichen Anteil des in dessen Lagerung und Motorentstehende Wärme über den Flansch an das Antriebsgehäuseab. Auch die KGT-Lagerung trägt zur Erwärmungdieses Gehäuses bei. Bei der Ermittlung der Verlustedieser Komponenten wurde auf Daten der Herstellerzurückgegriffen, da diese in dem Prüfstand nichtseparat erfasst werden können [1, 2]. Neben mechanischenVerlusten der Lagerungen treten in dem Motorauch elektrische Verluste durch Widerstände und Ummagnetisierungauf. Bei konstanter Belastung stellt sichein Gleichgewicht zwischen eingetragener und abgegebenerWärme ein. Dabei findet ein Wärmeübergang sowohlan den Oberflächen der Komponenten als auch eineWärmeleitung in die umgebende Struktur statt. Beider Modellierung dieser Effekte müssen zum Beispielbezüglich der Masse der verschiedenen Komponenten(zum Beispiel umgebende Gestellbauteile) ebenso wiefür die von den Randbedingungen (zum Beispiel Lüftungsbedingungen)Annahmen getroffen werden.3. FAZITReibung und Verluste in Antrieben sind wesentlicheFaktoren für die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit vonWerkzeugmaschinen und anderen Produktionsanlagen.Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, in denen dieAnteile der einzelnen beteiligten Komponenten einesAntriebes (zum Beispiel Kugelgewindetrieb, Lagerungen,Führungen und Motor) ermittelt werden. Dazuwurden in einem Prüfstand Sensoren integriert. Weiterhinzeigen die Untersuchungen den Einfluss der Dichtungenund des Schmierstoffes auf die Reibung auf. Einweiterer Faktor für die Erwärmung ist die durch die Verfahrbewegungeninduzierte Wärme. Ein Maß dafür ichdie mittlere Verfahrgeschwindigkeit in Kombination mitdem Hub während der Bewegungen. Der Hub ist sowohlfür die Länge des sich bei der Genauigkeit bemerkbarmachenden ausdehnenden Bereiches der Kugelgewindetriebspindelals auch für die wärmeabgebende Flächerelevant. Da sich ein Wärmeeintrag nicht verhindernlässt, ist für Kompensationsmaßnahmen die thermischeZeitkonstante der Veränderungen wichtig. Diese liegt,abhängig von den Verfahrbewegungen, zwischen ca. 20bis 90 Minuten. Damit lassen sich z. B. Kalibrierstrategienund die Häufigkeit der intermittierend durchgeführtenKalibriermessungen definieren. Bezüglich der Genauigkeitbesteht auch die Möglichkeit, diese durch denEinsatz von separaten Längenmesssystemen zu erhöhen.Aus den Ergebnissen der Untersuchungen konntengute Informationen über die einzelnen Anteile sowie derenGrößen gewonnen werden. Dies erlaubt die Modellierungund Ableitung sowohl konstruktiver als auchsteuerungstechnischer Maßnahmen. Eine Verifikationder Korrelation zwischen dem aufgenommenen Motorstromund der Reibung bedarf noch weiterer Analysen.Bilder: Hochschule Reutlingenwww.tec.reutlingen-university.deLiteratur[1] Schaeffler Technologies AG & Co. KG, „Lager für Gewindetriebe:Axial-Schrägkugellager Nadel-Axial-Zylinderrollenlager Zubehör,“Herzogenaurach[2] SKF: Hochgenauigkeitslager der Reihe „Super-precision bearings“,PUB BU/P1 13383/1 DE, 2014Temperatur [K]Visk.-Indexkin. Visk. 40° C kin. Visk. 100° CSS1: Schmierfett + Lithiumseife 58 110 10SS2: synth. KW-Öl + spez. Ca-Seife 157 100 15SS3: KW-Öl und Ca-Seife 145 30 6Temperatur [°C]06 Temperatur KGT mit verschiedenen Geschwindigkeiten/Schmierstoffen33533032532031531030530029529028555504540353025332,65320,65DauerlaufSS107 Temperaturverlauf-KGT Schmiermittel 1 DauerlaufMesspunkt 1Messpunkt 2Messpunkt 3200 20 40 60 80 100 120Zeit [min]AUTOREN320,95314,45Pause0,8 SS1Prof. Dr.-Ing. P. H. Nebeling,Professur Werkzeugmaschinen,Steuerungstechnik, Produktionssysteme,Hochschule ReutlingenB. Eng. Dennis Korn,Hochschule Reutlingen321,45324,25317,85314,35 314,25309,15Beharrungstemperatur T M2Pause Dauerlauf2,4s SS1 SS2ohne DichtungPause0,8 SS2307,05309,85318,3 318,35322,15313,65Pause Dauerlauf2,4s SS2 SS3mit DichtungPause0,8 SS3303,7307,85Pause2,4s SS3www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2025/02 49