Optimiertes INA-ProÞl fÿr StŸtz- und Kurvenrollen

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1 Optimiertes INA-ProÞl fÿr StŸtz- und Kurvenrollen Dipl.-Ing. (FH) Heinz SchŠfers INA-Sonderdruck September 1997

2 Neue Generation StŸtz- und Kurvenrollen Optimiertes Außenringprofil schont die Gegenlaufbahn Dipl.-Ing. (FH) Heinz SchŠfers Stütz- und Kurvenrollen sind Standard- Maschinenelemente, die mit ihren dickwandigen Außenringen die Übertragung von hohen radialen Belastungen auf ihre Gegenlaufbahnen, zumeist Kurvenscheiben oder gerade Führungsbahnen, erlauben. Oft sind deren Mantelflächen profiliert, um die maximale Hertz sche Pressung zu verringern und zusätzliche Kantenbelastungen aus Fluchtungsfehlern zu vermeiden. Untersuchungen der anwendungsspezifischen Ausfallursachen von Stütz- und Kurvenrollen (Bild 1) zeigen, daß insbesondere der Kontakt dieser Mantelflächen mit den Gegenlaufbahnen Verschleiß unterliegen kann, der die Gebrauchsdauer der Maschinenelemente und damit der Kurvensteuerungen bzw. Führungen verkürzt. Diesen Untersuchungen wurde bei der Gestaltung der Neuen Generation Stütz- und Kurvenrollen Rechnung getragen [1], Bilder 2 und 3. Und das im wahrsten Sinne des Wortes: Das Optimierte INA-Profil wurde durch umfangreiche Computer-Simulationen ins Leben gerufen, mit der Maßgabe, Verschleiß als Ausfallursache zu minimieren. Welche Einflüsse bewirken diesen Verschleiß und welche Maßnahmen können getroffen werden, ihn zu vermeiden oder zumindest zu verzögern? 1. Ursache und Wirkung Eine Ursache für diesen Verschleiß liegt in der Relativbewegung zwischen Außenringmantelfläche und der Gegenlaufbahn, zumeist hervorgerufen durch extreme Beschleunigungen und Verzögerungen. Diese treten bei Linearführungen durch die Hin- und Her-Bewegung in den Umkehrpunkten beim Drehrichtungswechsel der Rollen auf oder bei einer U-förmigen Schiene, in der durch Seitenwechsel die Drehrichtung der Rolle während des Laufs geändert wird. Bild 1 Stütz- und Kurvenrollen, anwendungsbezogene Ausfallursachen 2

3 bordgeführter Wälzkörpersatz großer Fettraum beidseitig schleifende Dichtung beidseitiger Innensechskant Bild 2 Neue Generation Stützrolle PWTR Bild 3 Neue Generation Kurvenrolle NUKR Bei Kurvensteuerungen können schroffe Übergänge der Kurvenbahnen und träge Massen der Grund für Beschleunigungsund Lastwechsel sein. Zu erkennen ist dieser Schlupf an der rauhen Oberfläche des Außenringmantels bzw. der Gegenlaufbahn, die wie sandgestrahlt wirkt. Besserung kann durch die Wahl einer ausreichenden Mindestbelastung oder durch den Drehrichtungswechsel bei Stillstand der Rolle erreicht werden. Oft hilft auch schon das Schmieren der Kontaktzone durch aufgesprühtes Fett oder ölgetränkten Filz. Hier kann es allerdings zum Fliegenfängereffekt kommen, so daß sich im Kontaktbereich Verschmutzungen ansammeln und das zur Schädigung der Führung beitragen kann. Weiterhin gilt für eine große Anzahl von Anwendungen, z. B. im Bereich der Papier-, Druck- und Verpackungstechnik und unter Umweltaspekten ein striktes Tabu für den Einsatz jeglicher Schmierung außerhalb der Rolle. 2. Hertz sche Pressung vermindern + Winkelfehler vermeiden = Verschleiß minimieren Die Wahl und Aufrechterhaltung der richtigen Belastung ist ein entscheidender Faktor für minimalen Verschleiß. Einerseits wird zur Vermeidung der Relativbewegung eine ausreichende Minimallast benötigt, andererseits ist die zulässige Belastung von der Form und dem Werkstoff der Gegenlaufbahn abhängig. Die Größe, die diese Einflüsse berücksichtigt, ist die Hertz sche Pressung p H. Aufgrund umfangreicher Untersuchungen liegen für verschiedene Gegenlaufbahnwerkstoffe Werte für die zulässige Hertz sche Pressung vor [2], [3]. Je geringer das Maximum der Hertz schen Pressung gehalten werden kann, um so geringer ist der zu erwartende Verschleiß. Einen Einfluß auf das Maximum der Hertz schen Pressung und damit auf den Verschleiß haben die Winkelfehler, Bild 4, gekennzeichnet durch den Schräglaufwinkel a und den Verkippungswinkel b. Das Schadensbild eines zu großen Schräglaufwinkels a ist durch das zylindrische Verschleißprofil der Außenringmantelfläche verbunden mit Flitterbildung ersichtlich. Ein zu großer Verkippungswinkel b zeigt ein versetztes Laufbahnbild am Außenring. Durch geringe Winkelfehler und ausreichender Belastung ( i. d. R. wird von einer Mindestbelastung von C 0w /P <60 [3] ausgegangen, kann auch ohne Schmierung ein verschleißarmer Kontakt gewährleistet werden. Dieser läßt sich durch das mattgraue Aussehen der Kontaktpartner erkennen. y z x y z x Bild 4 Schräglaufwinkel a und Verkippungswinkel b 3

4 Bild 6 Maximale Hertz sche Pressung am Beispiel der Kurvenrolle NUKR 80 mit Radiallast F r = N, entspricht C w /P = 5 Bild 7 Nominelle Lebensdauer der Gegenlaufbahn am Beispiel der Stützrolle NUTR 15 mit Gegenlaufbahn 42CrMo4V, Härte 350 HV 3. Profilform beeinflußt die Hertz sche Pressung Die Profilform der Außenringmantelfläche hat einen entscheidenden Einfluß auf das Maximum der Hertz schen Pressung und auf das Verhalten der Rolle bei Winkelfehlern. 3.1 Zylindrisches Profil Das zylindrische Außenringprofil zeigt bei unverkipptem, geraden Lauf einen geringen Maximalwert der Hertz schen Pressung. Allerdings sind hier die Kantenspannungen, die bei dieser Betrachtung oft vergessen werden, nur in diesem theoretischen Fall zu vernachlässigen (Bild 5). Schon kleine Verkippungswinkel, hervorgerufen durch Fertigungsungenauigkeiten bzw. durch Verformungen durch die Radiallast, führen bei unprofilierten, zylindrischen Rollen zu extrem hohen Kantenspannungen (Bild 6). Die Schädigung der Kontaktzone und der inneren Rollenkonstruktion ist die Folge. 3.2 Profil R 500 Bei weitem unempfindlicher gegenüber verkipptem Lauf sind entsprechend profilierte Außenringmantelflächen (Bild 5). Das bisherige Profil mit einem Radius von 500 mm (R 500) zeigt bei üblichen Verkippungswinkeln einen konstanten Maximalwert der Hertz schen Pressung (Bild 6). Schon bei einer Verkippung ab ca. 0,7 mrad liegt dieser unterhalb der Werte für die zylindrische Rolle. Alle diese Werte sind allerdings auf einem relativ hohen Niveau. Eine weitere Absenkung dieses Niveaus, sowohl für verkippten wie unverkippten Lauf, war deshalb für das angestrebte Ziel einer Verschleißminderung in der Kontaktzone notwendig. 3.3 Optimiertes INA-Profil Das neue Optimierte INA-Profil, ein Produkt der rechnergestützten Suche nach geringer Hertz scher Pressung, bringt uns diesem Ziel entscheidend näher. Es zeigt in allen Fällen die geringsten Maximalwerte (Bilder 5 und 6), die auch mit wachsendem Verkippungswinkel b nur unwesentlich ansteigen. Durch die Optimierung ergibt sich ein großer Grundradius, der das Maximum der Hertz schen Pressung absenkt, und einen Profilverlauf, der Kantenspannungen bei Verkippung wirksam begrenzt. zylindrisches Profil Profil R = 500 mm optimiertes INA-Profil Gerader Lauf b = 0 mrad C W /P = 5 Verkippter Lauf b = 3 mrad C W /P = 5 Bild 5 Einfluß der Profilform auf die Hertz sche Pressung. Optimiertes INA-Außenringprofil im Vergleich zu herkömmlichen Profilformen 4

5 Bild 8 Verschleiß der Gegenlaufbahn aus GGG-50. Die Ergebnisse sind Mittelwerte aus mehreren Prüfläufen mit je Überrollungen ohne Verkippung Bild 9 Verschleiß der Gegenlaufbahn aus 58 CrV4. Die Ergebnisse sind Mittelwerte aus mehreren Prüfläufen mit je Überrollungen ohne Verkippung 4. Welche Vorteile bietet das Optimierte INA-Profil? 4.1 Lebensdauer Bei optimalen Kontaktverhältnissen kann ähnlich wie bei einem Wälzlager eine Lebensdauer für die Gegenlaufbahn berechnet werden. Allerdings setzt diese Berechnung EHD-Schmierverhältnisse und eine Gegenlaufbahn mit Wälzlagerstahl-Eigenschaften voraus. Da diese Bedingungen zumeist nicht erfüllt werden, wird auch von einer Berechnung der Lebensdauer zumeist abgesehen. Führt man diese Berechnung dennoch durch, ergibt sich mit dem Optimierten INA-Profil im Vergleich zum Profil R = 500 mm eine längere Lebensdauer für die Gegenlaufbahn (Bild 7). 4.2 Verschleiß verzögern bedeutet Gebrauchsdauer verlängern Die Gebrauchsdauer hängt vom Verschleiß des Außenringes und der Gegenlaufbahn ab und welche Ausfallkriterien für die jeweilige Anwendung gelten. Sind bei einigen Anwendungen Verschleißerscheinungen ohne Einbußen der Funktionalität zu tolerieren, gelten bei anderen strengere Kriterien. Im Allgemeinen bedeutet das spätere Auftreten von Verschleiß eine längere Gebrauchsdauer. Leider entzieht sich der Verschleiß einer eindeutigen Berechnung. Hier ziehen Versuche [4], [5] eine eindeutige Bilanz: In den Bildern 8 und 9 wird der Verschleiß der Gegenlaufbahn unterschiedlicher Werkstoffe bei Außenringprofilen mit R 500 und Optimierten INA-Profil verglichen. Im Bild 8 ist die durchschnittliche Verschleißmenge in g von GGG-50 als Gegenlaufbahnwerkstoff bei Überrollungen dargestellt. Das Bild 9 zeigt den durchschnittlichen Verschleiß des Gegenlaufbahnwerkstoffes 58 CrV4 nach Überrollungen. Das Optimierte INA-Profil zeigt in allen Fällen, sowohl bei niedriger Belastung (entspricht ca N/mm 2 Hertz sche Pressung mit R 500) als auch bei hoher Belastung (ca N/mm 2 p H, R 500), eine bei weitem geringere Verschleißmenge als das bisher übliche R 500-Profil. Die Erwartungen, die in das aus der Berechnung stammende Optimierte INA-Profil gesetzt wurden, werden durch diese Versuchsergebnisse mehr als erfüllt. Auch für den verkippten Lauf sind aufgrund des geringeren Maximums der Hertz schen Pressung Vorteile für das Optimierte INA-Profil offensichtlich. Die Gebrauchsdauer von Rolle und Gegenlaufbahn wird entscheidend verlängert. 4.3 Steifigkeit Ganz nebenbei erhält man einen zusätzlichen Vorteil des Optimierten INA- Profils, denn damit ergibt sich gegenüber dem bisher üblichen R 500 ca. 10% Steifigkeitsgewinn (Bild 10). Bild 10 Radiale Einfederung von Außenring und Wälzkörpersatz bei NUTR 15 Literaturverzeichnis [1] Bode, H.: Neue Generation Stütz- und Kurvenrollen, Der Konstrukteur, Sonderheft ASB, April 1997 [2] INA-Katalog 307, Nadellager, Zylinderrollenlager, 1997 [3] INA-Druckschrift LFR, Laufrollen, Herzogenaurach, März 1995 [4] Welter, R. und Miko, J.: Laufrolle mit optimierten Funktionsund Dauerlaufeigenschaften, Konstruktionspraxis, Heft 3 und 4, März/April 1995 [5] INA-Versuchsbericht VA Gegenlaufbahnverschleiß bei Stützund Kurvenrollen, Herzogenaurach 1997 Autorenhinweis: Dipl.-Ing. (FH) Heinz Schäfers ist Produktmanager für Stütz- und Kurvenrollen im Branchenmanagement für Produktionsmaschinen und Systeme bei der INA Wälzlager Schaeffler KG in Herzogenaurach 5

6 INA Wälzlager Schaeffler KG D Herzogenaurach Telefon ( ) 82-0 Fax ( ) Art.Nr /OPS D-D á Printed in Germany