antriebstechnik 1-2/2017

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
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