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Hydrel GmbH: Robustes Design für Motorspindeln

Redakteur: Luca Meister

>> Bei Motorspindeln verbindet die Schaeffler Gruppe Industrie mit der neuen Hochleistungs-Spindellagerbaureihe «RS» und dem thermisch robusten Zylinderrollenlager «TR» höchste Drehzahleignung mit hoher Belastbarkeit und Unempfindlichkeit gegenüber wechselnden Betriebsbedingungen. Die Lagerung von direkt angetriebenen Motorspindeln kann gegenüber konventionellen Lösungen wesentlich vereinfacht werden.

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Die Hauptspindeln einer Werkzeugmaschine werden bei höchsten Anforderungen an Drehvermögen und Zerspanungsleistung heute in der Regel als direkt angetriebene Einheiten, so genannte Motorspindeln, ausgeführt.
Die Hauptspindeln einer Werkzeugmaschine werden bei höchsten Anforderungen an Drehvermögen und Zerspanungsleistung heute in der Regel als direkt angetriebene Einheiten, so genannte Motorspindeln, ausgeführt.
(Bild: Schaeffler Gruppe)

mei. Die neuen FAG-Spindellager «RS» sind grosskugelige Lager mit einem nominellen Druckwinkel von 20 Grad und einer reibungsoptimierten Innenkonstruktion. Diese Eigenschaften machen RS-Lager robust gegen Veränderungen der Radialluft und verbinden die Drehzahleignung der kleinkugeligen Hochgeschwindigkeitsbaureihen mit der Robustheit und Tragfähigkeit grosskugeliger Lager. Das neue thermisch robuste FAG-Zylinderrollenlager «TR» vereint erstmals die sichere Loslagerfunktion von Zylinderrollenlagern mit der Eignung für hohe Drehzahlen und wechselnde Temperaturdifferenzen.

Hohe Anforderungen

Die Hauptspindeln einer Werkzeugmaschine werden bei höchsten Anforderungen an Drehvermögen und Zerspanungsleistung heute in der Regel als direkt angetriebene Einheiten, so genannte Motorspindeln, ausgeführt. Bei dieser Bauform sitzt der Motor direkt auf der präzise gelagerten Welle der Spindel. Die Lager müssen für optimalen Rundlauf und hohe Führungsgenauigkeit vorgespannt sein und sitzen daher zur Optimierung der statischen und dynamischen Steifigkeit typischerweise an beiden Seiten des Motors. Aufgrund der hohen Leistungsdichte treten durch elektrische Verluste im Rotor im Betrieb Temperaturen bis zu 150 Grad Celsius auf. Diese führen zu grossen Temperaturgradienten zwischen Welle und Gehäuse, die durch die Lagerung ausgeglichen werden müssen.

Bei konventionellen Lagerungen werden Fest- und Loslager in Form eines mit Federn vorgespannten Spindellagers realisiert. Die Vorspannung wird durch Federn zwischen Buchse und Gehäuse erzeugt. Durch die Schiebebewegung des Aussenrings können Längenänderungen der Welle sowie Überstandsänderungen der Lager infolge von Drehzahl- und Temperatureinflüssen ausgeglichen werden. Schiebebuchsen, Kugelbüchse und Federn machen die Umgebungskonstruktion aufwendig und die Montage kompliziert. Die Schiebefunktion der Buchse kann infolge von Verkippungen und bei zu geringem Spiel, beispielsweise durch Temperaturdifferenzen, versagen.

Einfachere Konstruktion und Montage

Die neue Hochleistungsbaureihe RS und das thermisch robuste Zylinderrollenlager TR eröffnen neue Möglichkeiten bei der konstruktiven Gestaltung von Hauptspindellagerungen. Bei starrer Anstellung reagieren RS-Lager deutlich unempfindlicher auf Einflüsse aus Überdeckung, Drehzahl und Temperatur als konventionelle Spindellager. Daher kann es bei Verwendung von RS-Lagern in Verbindung mit der verbesserten Drehzahleignung möglich sein, statt Federanstellung konstruktiv einfachere starre Anstellungen zu verwenden. Dies vereinfacht die Spindelkonstruktion und erhöht gleichzeitig die Steifigkeit. Der Anwender von Spindellagern erhält somit grös­sere konstruktive Freiheiten.

Das thermisch robuste Zylinderrollenlager kann auch bei sehr hohen Temperaturdifferenzen sicher betrieben werden. Es ist mit einem nachgiebigen Aussenring ausgestattet, der Verspannungen durch Änderung der Radialluft ausgleicht. Der Aussenring, der nach wie vor Standardmasse hat, weist zwei Einstiche auf. Zwischen den Einstichen ist der Aussendurchmesser radial leicht zurückgenommen. Hierdurch kann sich der mittlere Bereich des Aussenrings bei veränderlichen Temperaturdifferenzen radial aufweiten. Die Kontaktkraft und damit die Flächenpressung am Aussenring steigen so deutlich langsamer an als bei einem Standard-Zylinderrollenlager. Die thermisch robusten Zylinderrollenlager werden typischerweise mit einem am Aussenring geführten, reibungsoptimierten PEEK-Käfig ausgerüstet. In dieser Ausführung erreichen sie überragende Drehzahlen, die bei Fettschmierung um 60 Prozent höher liegen als bei Zylinderrollenlagern, die mit wälzkörpergeführten Käfigen laufen.

Optimierte Schmierstoffverteilung

Der PEEK-Käfig ist zudem nur einseitig am Aussenring geführt. Damit wird eine optimale Schmierstoffversorgung ermöglicht. Überschüssiger Schmierstoff kann wesentlich schneller aus dem Lager gefördert werden. Die für den Fettverteilungslauf benötigte Zeit sinkt. Die Gefahr der Schädigung des Fettes durch Überrollung wird deutlich verringert. Nach dem Einlauf ergibt sich ein niedrigeres Temperaturniveau mit geringerer Streuung. <<

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