Auslegung und Einsatz eines kombinierten Wälz-Gleitlagers als Schwenk- und Hauptlager einer Servo-Kniehebelpresse

Auslegung und Einsatz eines kombinierten Wälz-Gleitlagers als Schwenk- und Hauptlager einer Servo-Kniehebelpresse

 

Motivation

Die Umformtechnik zeichnet sich durch eine hohe Ausbringung von Bauteilen in der Massenproduktion sowie hohen Prozesskräften während der Umformung aus. Durch den Übergang von starren und unflexiblen Prozessen, die den umformtechnischen Produktionszweig in weiten Zügen charakterisieren, hin zu flexibleren Technologien, wie die Servo-Pressen-Technik, entstehen neue und deutlich höhere Anforderungen an die Belastbarkeit der Maschinenelemente von Pressen. Hierbei sind vor allem die Lager der Presse als kritisches Maschinenelement anzusehen. Der Trend zeigt, dass durch die Entwicklung neuer Technologien ein Einsatz von reinen Wälz- oder Gleitlagern nicht mehr ausreicht, um den gestellten Anforderungen gerecht zu werden. Eine neue Technologie in dieser Richtung stellt die am PtU entwickelte 3D-Servo-Presse dar, die aufgrund drei entkoppelter Lenkersysteme in der Lage ist, zusätzlich zu der rein translatorischen Stößelbewegung ebenfalls Nick- und Rollbewegungen während des Umformprozesses auszuführen. Aufgrund der gestiegenen Anforderung, die durch die neue Technologie an die Lagerungen gestellt werden, kommen in der 3D-Servo-Presse keine reinen Wälz- oder Gleitlagerungen, sondern eine Kombination beider Lagerarten, sogenannte Wälz-Gleitlager zum Einsatz (Abbildung [1]). Hierdurch sollen die spezifischen Vorteile beider Lagerarten, wie die geringe Anlaufreibung und die Spielfreiheit der Wälzlager sowie die hohe Tragfähigkeit und die guten Dämpfungseigenschaften der Gleitlager, in einer Lagerung vereint werden.

[1] Kombiniertes Wälz-Gleitlager
[1] Kombiniertes Wälz-Gleitlager

Zielsetzung

Die Zielsetzung des Projektes ist eine technologische Weiterentwicklung der kombinierten Wälz-Gleitlagerungen, um diese für einen industriellen Einsatz zu qualifizieren. Die Lagerungen sollen dabei in Kooperation mit einem Industriepartner an die industriellen Anforderungen angepasst und in bestehenden oder neu entwickelten Pressen eingesetzt werden. Hinsichtlich der Lagerkombination ist zudem zu untersuchen, welche Auswirkungen die Spielfreiheit vorgespannter Wälzlager im Verbund mit Gleitlagern auf die Regelgüte der Presse haben. Des Weiteren soll eine Auslegungsmethodik für kombinierte Wälz-Gleitlagerungen erstellt und auf ihre industrielle Anwendbarkeit überprüft werden.

Lösungsweg

Im Verlauf des Projekts entwickelt das PtU Prüflager und untersucht diese auf dem hauseigenen Lagerprüfstand. Aufbauend auf den daraus gewonnenen Informationen entwickelt das PtU eine Auslegungsmethodik, mit deren Hilfe der Industriepartner die Entwicklung eigener Lager durchführen kann. In Abstimmung mit dem Industriepartner erfolgt eine Auswahl geeigneter Einsatzorte in vorhandenen oder neu entwickelten Pressen und der Einsatz der neuen Technologie. Anschließend wird die Auswirkung auf die Regelgüte der realen Presse untersucht.

Wesentliche Erkenntnisse

Im Rahmen des Projektes wurde eine Auslegungsmethodik entwickelt, mit deren Hilfe kombinierte Lagerungen für industrielle Anwendungen ausgelegt werden können. Die Auslegungsmethodik beinhaltet unter anderen ein numerisches Simulationsmodell, dem ein analytischer Berechnungsansatz für Gleitlager ergänzt um die Wälzlagerkomponenten zugrunde liegt. Mittels Sensitivitätsanalyse wurden die wichtigsten Auslegungsgrößen für kombinierte Lager ermittelt und ein Vorschlag zur Festlegung dieser Größen gegeben. Unter Zuhilfenahme der Auslegungsmethodik konnten Lager mit unterschiedlichen Wälzlagerarten (Zylinderrollenlager und Schrägkugellager) ausgelegt und hinsichtlich ihrer Betriebssicherheit bewertet werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das Steifigkeitsverhalten kombinierter Wälz-Gleitlager vor allem durch die jeweilige Betriebsart unterscheidet. Im Vollumlaufbetrieb konnte eine drehzahlabhängige Steifigkeitserhöhung bis auf das 5-fache nachgewiesen werden. Die Verwendung von Zylinderrollenlagern oder Schrägkugellager hat im Verhältnis zur Drehzahl und zur Betriebsart einen deutlich geringeren Einfluss auf das Steifigkeitsverhalten der kombinierten Lagerung.

Förderhinweis

Das Forschungsprojekt wird gefördert durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi).