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Wälz- und Gleitlager Normen bestimmen mehr als Toleranzen von Wälz- und Gleitlagern

| Autor / Redakteur: Henryk Velde / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Normen sollen nicht nur Toleranzen und Abmessungen von Produkten festlegen. Damit man diese vergleichen kann, müssen auch weitere Bedingungen festgelegt werden, wie dieser Beitrag zeigt.

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Die jüngsten Veröffentlichungen des Normen-Arbeitsausschusses „Linearwälzlager einschließlich Teile und Zubehör“ betreffen die Profilschienenführungen mit kompakten Kugel- oder Rollenumlaufwagen.
Die jüngsten Veröffentlichungen des Normen-Arbeitsausschusses „Linearwälzlager einschließlich Teile und Zubehör“ betreffen die Profilschienenführungen mit kompakten Kugel- oder Rollenumlaufwagen.
(Bild: SKF)

Die Aufgabe des Normenausschusses Wälz- und Gleitlager (NAWGL), Arbeitsausschuss NA 118-01-11 AA „Linearwälzlager einschließlich Teile und Zubehör“ ist die Normung und Standardisierung von Abmessungen und Einbautoleranzen zur Sicherstellung der Austauschbarkeit, die Charakterisierung und Verifikation von Produktleistungsdaten sowie sicherheitsrelevante Hinweise für den Einsatz von linearen Wälzführungen zu geben. Dazu zählen Profilschienenführungen, Kugelbüchsenführungen, Flachkäfigführungen, aber auch Kugelgewindetriebe. In diesem Ausschuss sind die interessierten Kreise aus den Bereichen Wirtschaft sowie Wissenschaft und Forschung vertreten. Im Rahmen der internationalen Normungsarbeit vertritt der NA 118-01-11 AA als Spiegelgremium des ISO/TC 4/SC 11 konsens­orientiert die Interessen der dort organisierten interessierten Kreise.

Profilschienenführung mit Kugelumlauf.
Profilschienenführung mit Kugelumlauf.
(Bild: DIN ISO 14728)

Schnittbild eines Kugelgewindetriebs.
Schnittbild eines Kugelgewindetriebs.
(Bild: DIN ISO 3408-1)

DIN 631 beschreibt auch Prüfbedingungen

Die jüngsten Veröffentlichungen dieses Normenausschusses betreffen die Profilschienenführungen mit kompakten Kugel- oder Rollenumlaufwagen. Auch in den zukünftigen Normungsvorhaben spielt die Profilschienenführung eine wichtige Rolle:

  • In der DIN 631 werden die Tragzahlversuche sowie die Vorgehensweise genormt, um eine Beeinflussung durch Versuchsparameter und der sich anschließenden Auswertung der Versuchsergebnisse auf das Ergebnis auszuschließen.
  • In der DIN 637 werden die Dimensionen und einheitliche Bedingungen für den Betrieb von Profilschienenführungen mit Wälzkörperumlauf festgelegt.
  • Es werden normative Grundlagen zur modifizierten Lebensdauer gegeben, um dem Anwender einen Ausblick auf die zu erwartende Gebrauchsdauer zu ermöglichen.

Die Bewertung einer Profilschienenführung beginnt mit der Darstellung der dynamischen Tragzahl in den Herstellerkatalogen, einer Kenngröße, mit der die nominelle (theoretische) Lebensdauer L10 einer belasteten Führung berechnet werden kann.

Doch inwieweit ist die Zuverlässigkeit der Katalogangabe für die dynamische Tragzahl gewährleistet? Denn bei kompakten Kugel- oder Rollenumlaufwagen spiegeln sich viele Einflüsse beziehungsweise Parameter am Ergebnis wider. So ist es möglich, über die Versuchsparameter einen enormen Einfluss auf die Ergebnisse zu nehmen.

Ohne die Festschreibung der versuchstechnischen Parameter sind Ergebnisse zwischen unterschiedlichen Profilschienenführungen mit kompakten Kugel- oder Rollenumlaufwagen nicht vergleichbar. Dieser Umstand machte eine Normung der versuchstechnischen Parameter notwendig. Um die theoretische Aussagekraft und die Überlebenswahrscheinlichkeit messbar zu machen, wurde mit der DIN 631 eine Prüfspezifikation zur versuchstechnischen Bestätigung der dynamischen Tragzahl C entwickelt.

Statistischer Ansatz ist Basis zur Tragzahlherleitung

Basis zur Herleitung der dynamischen Tragzahl C nach DIN ISO 14728-1 stellt der statistische Ansatz zur Materialermüdung nach Lundberg und Palmgren dar. Dieser beschreibt die Überlebenswahrscheinlichkeit einer Wälzkomponente in Abhängigkeit vom beanspruchten Materialvolumen, der Anzahl von Überrollungen, dem orthogonalen Schubspannungsmaximum, der Tiefe des beanspruchten Materialvolumens und bestimmten Werkstoffkonstanten.

Zur Absicherung einer Baureihe reicht es aus, eine definierte Ausführung bei festgelegter Baugröße der Lebensdauerprüfung zu unterziehen.

Die Baugrößen und Ausführungen der Profilschienenführungen mit kompakten Kugel- oder Rollenumlaufwagen beziehen sich auf die DIN ISO 12090-1, für die Miniaturversion auf die DIN ISO 12090-2. Die DIN 631 empfiehlt zum Beispiel für Profilschienenführungen mit kompakten Kugelumlaufwagen die Baugröße 25 nach DIN ISO 12090-1 als integralen Prüf­stan­dard.

Norm beschreibt Versuchsaufbau

Eine festgelegte Anzahl von Prüf­lingen (mindestens 30) wird unter einer definierten Prüflast mit einem geeigneten Prüfaufbau bei festgeschriebenem Hubverhältnis und ausreichender Schmierstoffmenge bis zur Materialermüdungsgrenze des Werkstoffes getestet. Die Zahl der Prüflinge kann sich, je nach Ausfallquote durch Materialermüdung oder durch einen sonstigen Schaden, deutlich erhöhen.

Wegen der Vielzahl von Überrollungen an den Umkehrpunkten in der Stopp- und Beschleunigungsphase forcieren kurze Hübe die Materialermüdung, durch einen soliden Schmierfilmaufbau steigern lange Hübe hingegen die Lebensdauer. Um die dynamische Tragzahl für den Anwender realistisch messbar zu machen, ist der Hub auf das Fünffache des metallischen Teiles des Führungswagens begrenzt. Hat beispielsweise die Baugröße 25 eine Länge des Stahlteils von 70 mm, ist ein Hub von 350 mm vorgegeben.

In der DIN 631 sind weitere relevante Prüfparameter, wie beispielsweise die Geschwindigkeit, Beschleunigung, Haltezeit, sowie das Ausfallkriterium mit Detektion und Überwachung der Materialermüdung definiert.

Darstellung einer Laufbahn (1) mit Pittingbildung (3) sowie eines Wälzkörpers (2) in der Seitenansicht und von vorne.
Darstellung einer Laufbahn (1) mit Pittingbildung (3) sowie eines Wälzkörpers (2) in der Seitenansicht und von vorne.
(Bild: DIN 631)

Typisches Schadensbild einer Laufbahn.
Typisches Schadensbild einer Laufbahn.
(Bild: Schaeffler „Wälzlagerpraxis“)

Voraussetzung zur Erfüllung der vorliegenden Norm ist die Eignung des Prüfstandkonzeptes zur Einhaltung aller in der Norm festgelegten Parameter und Grenz­werte. Die Ausführung des Prüfstandes ist nicht Inhalt der DIN 631, er muss jedoch die Anforderungen der relevanten Normen erfüllen und bei Bedarf einer kritischen Eignungsprüfung standhalten.

Vorgehensweise bei manueller Auswertung

Die dynamische Tragzahl einer Profilschienenführung stellt eine zentrische, in Größe und Richtung unveränderliche Last in Newton dar, bei der eine Profilschienenführung mit einer theoretischen Überlebenswahrscheinlichkeit von 90 % eine Laufstrecke von 100 km erreicht. Bei der Angabe der dynamischen Tragzahl beziehen sich die Hersteller entweder auf die Bezugsstrecke von 100 km (C100) oder auf 50 km (C50).

Um die Tragzahlen und die daraus resultierende nominelle Lebensdauer miteinander vergleichen zu können, gelten folgende Umrechnungen:

Für Profilschienenführungen mit kompakten Kugel­um­lauf­wa­gen:

C100B = C50B/1,26

Für Profilschienenführungen mit kompakten Rollenumlaufwagen:

C100B = C50R/1,23

Für die nominelle Lebensdauerberechnung:

L10 = 100 (C100/P)p

L10 = 50 (C50/P)p

Zur Ermittlung der versuchstechnischen Lebensdauer ist eine Weibull-Verteilung und eine zweiparametrische Ausgleichsgerade zu erstellen. Dazu können Software-​Tools herangezogen werden, welche die Darstellung der Wei­bull-Verteilung, die Berechnung der Ausgleichsgeraden und die Vertrauensbereiche ermöglichen. Die Beschreibung der Vorgehensweise bei manueller Auswertung anhand eines Beispiels ist ebenfalls Teil dieser Norm.

Einsatzgrenzen von Profilschienenführungen

Parallel zu dieser Entwicklung stiegen die Notwendigkeit und das Bewusstsein, Möglichkeiten, aber auch Einsatzgrenzen von Profilschienenführungen in Bezug auf Sicherheit und Risikobewertung aus Hersteller- und Anwendersicht einer gesamtheitlichen Betrachtung zu unterziehen.

Als Ergebnis wurde 2013 die Norm DIN 637 „Wälzlager – Sicherheits­tech­ni­sche Festlegungen für Dimensio­nierung und Betrieb von Profilschienenführungen mit Wälzkörperumlauf“ veröffentlicht. Sie stellt dem Anwender umfassend das produktspezifische Anwendungs-Know-how der Hersteller von Profilschienenführungen in harmonisierter, nutzungsgerechter Form zusammen. Im Einzelnen wird darauf verwiesen, dass verschiedene Einflüsse wie Dynamikgrenzen, Form- und Lagetoleranzen, Belastbarkeit sowie Schmierbedingungen der Profilschienenführungen zu beachten sind.

DIN 637 klärt sicherheitstechnische Fragen

Durch konsequente Anwendung der DIN 637 wird gewährleistet, dass sicherheitsrelevante Fragen bereits im Produktentstehungsprozess beantwortet werden. So können mögliche Auslegungsfehler vor Inbetriebnahme von mit Profilschienenführungen ausgestatteten Maschinen oder Anlagen vermieden werden. Dies gilt auch für Gefahrenpotenziale durch unsachgemäße Verwendung in der Nutzungsphase, was in der heutigen globalen Produktionslandschaft eine große Herausforderung darstellt.

Weitere Normungsvorhaben

Die Verwendung der Grundlebensdauer L10 als Kriterium der Lagerleistung hat sich seit vielen Jahren zufriedenstellend bewährt. Die Lebensdauer L10 ist mit einer Erlebenswahrscheinlichkeit von 90 % verbunden, mit üblicherweise verwendeten, hochwertigen Werkstoffen, guter Fertigungsqualität und unter genormten Betriebsbedingungen.

Für viele Anwendungen ist es allerdings unabdingbar geworden, die Lebensdauer für ein anderes Maß an Zuverlässigkeit zu berechnen und/oder eine Lebensdauerberechnung unter Anwendungsbedingungen zu prognostizieren.

Standard für zu erwartende Gebrauchsdauer kommt

Unter dem Aspekt des Einflusses auf die Lebensdauer durch Variation und Wechselwirkung unterschiedlicher Faktoren wie Schmierzustand, Kontamination, Temperatur, Härte, Form- und Lagetoleranzen, konstruktive Eigenschaften, wird sich der Normenausschuss NA 118-01-11 AA in vergleichbarer Weise zur DIN ISO 281 mit der modifizierten Lebensdauer von Profilschienenführungen auseinandersetzen und einen grundlegenden Standard für einen Ausblick der zu erwartenden Gebrauchsdauer entwickeln. MM

* Dipl.-Ing. Henryk Velde ist Manager Central Product Development and Global Testing der Ewellix GmbH in 97424 Schweinfurt, Tel. (0 97 21) 56-41 23, henryk.velde@ewellix.com; Unternehmen und Institutionen, die an diesem Fachbericht mitgewirkt haben: THK GmbH, Bosch Rexroth AG, Festo AG & Co. KG, NSK Deutschland GmbH, Schaeffler Technologies AG, Schneeberger GmbH, Ewellix GmbH, WZL-RWTH Aachen, ZF TRW Automotive GmbH

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