Innovation durch Kombination: Wälz-Gleit-Lagerung für Servopressen

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Technische Universität Darmstadt

Neu entwickelte Lager kommen auf „3D-Servo-Presse“ zum Einsatz

Für den Bereich des Pressenbaus hat das Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt ein kombiniertes Lager entwickelt, das auf dem Prinzip des Funktionsübergangs basiert. Die Lager kommen dabei unter anderem in der am Institut entwickelten sogenannten „3D-Servo-Presse“ zum Einsatz. Diese Servopresse stellt ein neuartiges Konzept dar und verfügt aufgrund von drei separaten Antriebssträngen gegenüber dem reinen Translationsfreiheitsgrad noch über zwei weitere Rotationsfreiheitsgrade des Stößels. Ziel dieser neuen Technologie ist, die Flexibilität von Umformmaschinen und -prozessen zu erhöhen [4].

Der Aufbau des am PtU entwickelten Wälz-Gleit-Lagers sieht zwei Zylinderrollenlager vor, zwischen denen eine Gleitbuchse angeordnet ist (Bild 4). Im Gegensatz zu den aus der Forschung bekannten Lagerungen werden die Wälzlager über selbstzentrierende Spannsätze spielfrei vorgespannt. Im Bereich niedriger Kräfte trägt das Wälzlager. Messungen bestätigen, dass bei steigender Belastung die Wellenverlagerung zunächst stärker zunimmt, bis das Gleitlager die Traganteile der Wälzlager übernimmt und die Zunahme der Verlagerung mit steigender Presskraft sinkt (Bild 5).

Vergleich konventioneller und kombinierter Lagerungen

Für einen Vergleich zwischen konventionellen und kombinierten Lagerungen kann ein vereinfachtes Berechnungsmodell herangezogen werden. Verglichen werden zwei Lageranordnungen: Die erste besteht aus zwei identischen Wälzlagern, in der zweiten Lagerung kommen zwei Wälzlager geringerer Größe sowie ein zusätzlich mittig angeordnetes Gleitlager zum Einsatz. Als Presskraft werden 2000 kN angenommen. Betrachtet wird eine Schwenkbewegung mit 11,5˚ Schwenkwinkel und einer Hubzahl von 30 Hub/min, wodurch sich eine durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit von 1,9 U/min ergibt.

In der hier betrachteten Lagerkombination liegt der Durchmesser des Gleitlagers gegenüber dem Lager der „3D-Servo-Presse“ (Bild 4) konstruktionsbedingt zwischen dem Innen- und Außendurchmesser des Wälzlagers. Grund hierfür ist die Realisierung der Wälzlagervorspannung über Passsitze anstelle von Spannsätzen. In Bild 5 sind die Maße und Daten der Beispiellagerungen sowie die Ergebnisse der nominellen Lebensdauer und der Rotationsenergie dargestellt. Das zusätzlich eingebrachte Gleitlager übernimmt Traganteile der Presskraft, sodass sich die Wälzlagerbelastung von 1000 kN auf 26 kN reduziert. Die Belastung der Wälzlager in der kombinierten Lagerung wurde mit Hilfe der hydrodynamischen Gleitlagerberechnung nach Holland [6] unter Einbeziehung der Wälzlagerkraft ermittelt. Bemerkenswert ist, dass die nominelle Lebensdauer der Wälzlager durch die Reduktion der Belastung trotz eines verringerten des Innendurchmessers von 240 auf 150 mm deutlich ansteigt. Durch die geringere Größe sinkt zudem einerseits der benötigte Bauraum, andererseits wird die durchschnittliche Rotationsenergie der Welle um einen Faktor von etwa 3,3 reduziert.

Die Beispielrechnung zeigt, dass durch eine Kombination von Wälz- und Gleitlagern neben einer Reduktion des benötigten Bauraums ebenfalls eine deutliche Reduktion der benötigten Energie für Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge, die sich gerade bei Pendelhubbewegungen deutlich bemerkbar machen, erreicht werden kann. Kombinierte Wälz-Gleitlager bieten damit nicht nur die Möglichkeit einer erweiterten Einsetzbarkeit im Pressenbau, sondern ebenfalls eine mögliche wirtschaftliche Alternative gegenüber bauraumintensiven konventionellen Lagerungen. MM

Literatur

[1] Kamps, R. (1957): Lager- und Schmiertechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1957

[2] Niwa, K.; Matsumura, H.: Gleit-Wälz-Lager, Angemeldet durch Daido Metal Co Ltd, Vö.-Nr. DE4327543 C2, 1993

[3] Kier, M.; Wegner, S.; Bey, R. (2011): Neuartige Lagerungstechnik des Kurbeltriebs von Verbrennungsmotoren zur Verbesserung der Effizienz und Minderung der Emissionen. Abschlussbericht, Deutsche Bundesstiftung Umwelt AZ: 25518-24/0, Herzogenrath, 2011

[4] Groche, P.; Scheitza, M.; Kraft, M.; Schmitt, S. O. (2010): Increased total flexibility by 3D Servo Presses, CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 59/1, 2010

[5] Scheitza, M.; Schmitt, S. O.; Emde, S. (2013): Potenzial and challenges of combined roller and plain bearings for servo presses, in: Advanced Materials Research Vol. 769, S. 285-292, Trans Tech Publications, Switzerland, 2013

[6] Holland, J. (1959): Beitrag zur Erfassung der Schmierungsverhältnisse in Verbrennungskraftmaschinen, VDI-Forschungsheft 475, VDI-Verlag, 1959

* Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche ist Leiter, M. Sc. Julian Sinz ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der Technischen Universität Darmstadt in 64287 Darmstadt

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