Forstmann, Jochen:

Kugelgewindetriebe im Einsatz an Kunststoffspritzgießmaschinen

Duisburg, Essen (2010), VII, 127 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Produkt Engineering
Wortberg, Johannes (Doktorvater, Betreuerin)
Witt, Gerd (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2010
Abstract:
Bei der Auslegung von Antriebsachsen mit Kugelgewindetrieben als Getriebe zur Wandlung rotatorischer Antriebsleistung in translatorische Bewegung, ist die Prognose der Lebensdauer des Kugelgewindetriebes von elementarer Bedeutung. Aus der Literatur ist bekannt, dass die genormten Lebensdauerprognosemodelle für Anwendungen mit zyklischen Prozessen, hoher Belastung und großen Beschleunigungen, wie sie beispielsweise an den Hauptachsen von Spritzgießmaschinen in der Kunststoffverarbeitung auftreten, ungeeignet sind.
Die Arbeit beschäftigt sich in einem ersten Teil mit der Analyse des bestehenden Wissens zum Kugelgewindetrieb, seinen tribologischen, insbesondere Verschleiß betreffenden Eigenschaften, den bekannten Lebensdauerprognosemodellen und dem Einsatz von Kugelgewindetrieben an Spritzgießmaschinen.
Im Hauptteil der Arbeit wird ein System zur Prognose der Lebensdauer ausgearbeitet, dass hauptsächlich auf physikalischen Modellen beruht. Das Lebensdauerprognosemodell nach [DIN69051] und [ISO3408], sowie das Modell nach [Ja08] und [Hab98] werden kritisch hinterfragt, modifiziert und erweitert. Zielsetzung ist es folgende Aspekte zu berücksichtigen, die die Abbildungsgenauigkeit des Modells verbessern:
- lokale Belastungshöhe bei Abrasionsverschleiß und Ermüdungsverschleiß
- Orientierung der Last bei Ermüdungs- und Abrasionsverschleiß
- Vorschädigungseinfluss bei Abrasionsverschleiß
Das realisierte Prognosemodell ist in der Lage, die Schädigung für jeden Bereich des Kugelgewindetriebes individuell zu bestimmen, sowohl für Ermüdungs- als auch für Abrasionsverschleiß. Hier-durch sind beispielsweise Schädigungskonzentrationen auf der Spindel durch kurzhubige Bewe-gungen, die höhere Belastung der ersten Gewindegänge und die lastrichtungsabhängige Flanken-belastung im Schädigungsverhalten darstellbar.
Um die lokal wirkenden Kontaktkräfte zu bestimmen, wurde eine numerische Strukturanalyse mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente durchgeführt. Die Ergebnisse sind trotz der extremen Herausforderung durch die Kontaktbedingungen im Laufbahnkontakt plausibel und halten einer Konvergenzbetrachtung stand.
Das auf [DIN69051] und [ISO3408] beruhende Modell wurde neben der Berücksichtigung oben genannter Erweiterungsziele hinsichtlich der Berechnung der Tragzahl modifiziert. Nach [DIN69051] und [ISO3408] ist ein Exponent von 0,86 vorgesehen, als dessen Basis die Anzahl der Umläufe einzusetzen ist. Die sich ergebende Zahl geht als Faktor eines Produktes in die Tragzahl ein. Unter Berücksichtigung der statistisch zu erwartenden Ausfallwahrscheinlichkeit ergibt sich der Faktor jedoch zu 0,7 [nach Lun47], dies führt zu einer kleineren Tragzahl und somit kürzeren Lebensdauer. Weiterhin wird nachgewiesen, dass die in den Normen nicht berücksichtigte ungleiche Lastverteilung die Lebensdauer verkürzt.
Das Modell für Abrasionsverschleiß wurde detailliert und erweitert, so dass für jeden Kontaktpunkt die Verschleißarbeit berechnet werden kann. Aus der Verschleißarbeit lässt sich unter Verwendung eines Proportionalitätsfaktors der massenmäßige Verschleiß berechnen. Für den Proportio-nalitätsfaktor wird ein Ansatz vorgeschlagen, der die Vorschädigung im System berücksichtigt. Konkret wird hierfür die Belastung des Schmierstoffes mit abrasiv wirkenden Partikeln verwendet, wodurch die Vorschädigung des Systems direkt berücksichtigt wird. Erreicht der berechnete massenmäßige Verschleiß einen Grenzwert, so ist die prognostizierte Lebensdauer erreicht.
Für die Simulationsrechnungen werden Funktionen mit angenäherten Verläufen der Prozessgrößen Kraft, Drehzahl und Position verwendet. Die gleichen Prozessgrößen werden für die Versuche auf dem umgebauten Prüfstand für Kugelgewindetriebe verwendet.
Die Versuche an den Kugelgewindetrieben zeigen den Einfluss der Prozessparameter Lasthöhe und Beschleunigung. Diese führen zu einem früheren Versagen der Kugelgewindetriebe bei hoher Last und großer Beschleunigung. Wie sich bei der werkstofftechnischen Untersuchung der Prüfkörper herausgestellt hat, haben sich die Kugeln gegenseitig stark geschädigt. Diese Erkenntnis deckt sich mit den Schlussfolgerungen aus den Versuchsprotokollen, die Phasen mit deutlich erhöhtem Drehmoment zeigten, aus denen auf ein Verklemmen des Systems (Reibungserhöhung im Kugel/Kugel-Kontakt) geschlossen wurde. Das Auftreten dieses Phänomens führt dazu, dass die Ergebnisse nicht gut auf praktische Anwendungsfälle übertragbar sind. Zukünftige Versuche sollten daher mit praxisnah ausgeführten Kugelgewindetrieben der entsprechenden Baugröße durch-geführt werden.
Die Eignung von Körperschall als Messgröße zur Bildung eines Kennwertes für die frühzeitige Ermittlung des Verschleißzustandes konnte nicht festgestellt werden. Ursachen hierfür sind vermutlich erstens die ausgeprägte Geräuschkulisse durch das Kugelrückführsystem, zweitens die große Anzahl an kleinen Fehlstellen, die nicht zu ausreichend ausgeprägten Anregungen der Überrollfrequenzen führen und drittens die komplexe Kinematik des Kugelgewindetriebes, die stets zu Gleitbewegungen führt, welche den Rollbewegungen überlagert sind.
Hinsichtlich der Optimierung von Kugelgewindetrieben für Schwerlast-Anwendungen wurde der Einfluss der Orientierung der Mutter untersucht. Es wurde ein erheblicher Einfluss auf die Homogenität der Lastverteilung festgestellt. Beispielhaft wurde für Schwerlastanwendungen mit vorherrschender Last auf eine Flankenseite des Kugelgewindetriebes eine optimierte asymmetrische Gewindeprofilform entworfen. Anwendungsfeld für einen solchen Kugelgewindetrieb ist beispielsweise die Einspritzachse einer Spritzgießmaschine. Maßgeblicher Faktor für die gemäß allen Prognosemodellen längere Lebensdauer ist der einseitig höhere Kontaktwinkel.