Der ultimative Härtetest für Drehgeber-Lagerpakete

Als Hersteller von inkrementalen und absoluten Drehgebern, die weltweit und in vielen unterschiedlichen Anwendungen zuverlässig arbeiten, legt Wachendorff Automation größten Wert auf die entwicklungsbegleitende Validierung der einzelnen Bauteile.

Da nicht in allen Fällen bekannt ist, in welchen Anwendungen die Drehgeber und Messsysteme eingesetzt werden, werden so viele Umwelt­simulationen wie möglich durchgeführt. Damit erhält Wachendorff die Gewissheit, dass die Drehgeber auch in sehr anspruchsvollen Anwendungen präzise und zuverlässig über viele Jahre laufen.

Für jede neue Produktfamilie gibt es eine umfangreiche Verifizierungs- und Validierungsstrategie, die bereits bei den Lieferanten und den Bauteilen beginnt. Baugruppen und fertige Produkte werden Langzeittests unterzogen, die den weiten Einsatzbereich der produzierten Geräte ermöglichen. Hier verlässt sich das Unternehmen nicht auf die Angaben der Zulieferer, sondern führt in eigenen Prüflaboren umfangreiche zusätzliche Tests durch. Dabei geht es unter anderem um Temperaturschwankungen und Temperaturfestigkeit nach oben und unten in der Halt-Kammer, Vibrations- und Schockbeständigkeit in speziellen Shakern, Tests zur Bestätigung der IP- Schutzart und EMV-Prüfungen.

Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Ein Herzstück eines Drehgebers und damit im Fokus vieler Tests und Qualifikationen sind die Kugellager und das damit verbundene Lagerpaket. Die Dimensionierung sowie die Qualifizierung dieser Komponenten sind entscheidend für die Qualität und Langlebigkeit eines Drehgebers und damit als eine der Kernkompetenzen des Automatisierers zu verstehen. Wenn man wie Wachendorff fünf Jahre Garantie auf seine Drehgeber gibt, genügt es nicht, sich auf Angaben von Lieferanten und auf mathematische Berechnungen alleine zu verlassen. Nicht umsonst nimmt Wachendorff für sich in Anspruch, die robustesten Drehgeber anzubieten, die die höchsten radialen und axialen Lagerlasten vertragen und damit in Anwendungen eingesetzt werden, die höchsten Ansprüchen entsprechen.

Wer jemals mit der Auswahl und mit der Qualifizierung von Kugellagern beschäftigt war, weiß, dass nachdem man den richtigen Hersteller freigegeben hat, man nur recht triviale Angaben bezüglich der Haltbarkeit bekommt. Jeder qualitativ hochwertige Hersteller liefert eine entsprechende Qualität, in die man als Kunde nur eingeschränkt eingreifen kann. Mit einer Überprüfung der Prozesssicherheit, der Qualitätssicherung und Endprüfung erhält man ein gutes Produkt, welches jetzt eindesigned werden kann.

Lebensdauer und theoretische Lagerlasten

Es gibt standardisierte Formeln, insbesondere in der DIN ISO 281, mit denen man die Lebensdauer und die theoretischen Lagerlasten berechnen kann. Diese sind jahrzehntelang bewährt aber trotzdem nur bedingt zuverlässig. Es gibt einige Parameter, die in den Berechnungen nur eingeschränkt berücksichtigt werden, aber in der Realität eine große Rolle spielen, zum Beispiel Temperaturschwankungen, dynamische Belastungen oder Toleranzen in der Montage, um nur einige zu nennen. Bei der Entwicklung der Serie von Absolutwert Drehgebern mit Industrial-Ethernet-Schnittstellen wie Profinet und EtherCat bestand die Herausforderung darin, hierfür den kompaktesten Drehgeber der Welt zu entwickeln, der jedoch bei aller Kompaktheit genügend Lagerlasten ‚verträgt‘, um in industriellen Anwendungen und etwa bei mobilen Arbeitsmaschinen über viele Jahre störungsfrei im Feld zu bestehen.

In diesem Beispiel werden die Lager bei der maximalen Drehzahl von 8.000 min-1 mit den maximal zulässigen Lasten – der Drehgeber WDAG58F mit axial 50 N, radial 60 N – beaufschlagt. Für diesen Zweck wurde bei Wachendorff der bestehende Lagerpaketprüfplatz ergänzt und automatisiert, damit die berechnete Lebensdauer der Lagerpakete, die in den Flansch der Drehgeber montiert (geklebt) sind, verifiziert werden können. Der Prüfplatz ist vollständig eingehaust, damit die während des Prüfvorgangs entstehenden Geräusche gedämmt werden und Mitarbeitende bei einem eventuellen Defekt nicht gefährdet werden.

Prüfung mit radialen und axialen Lasten

Die Lasten werden über Pneumatik-Zylinder auf die Prüflingswellen aufgebracht. Jeder Pneumatik-Zylinder wird dabei über einen separaten Druckregler gesteuert beziehungsweise eingestellt. Die aus dem eingestellten Druck resultierende Kraft wird bei der Inbetriebnahme mit einem Druckkraftsensor verifiziert.

Der Lagerpaket-Prüfplatz bietet grundsätzlich die Möglichkeit gleichzeitig radiale und axiale Lasten auf die Prüflingswelle aufzubringen. Für die Lebensdauerberechnung ist die radiale Kraft maßgeblich. In der Berechnung wird die axiale Last erst ab einem gewissen Verhältnis zur radialen Kraft berücksichtigt, ansonsten wird sie mit dem Wert ‚0‘ angenommen. Diese Bedingung trifft in unserem Beispiel zu und reduziert den Test auf eine rein radiale Belastung.

Fünf Prüflinge gleichzeitig

Es können fünf Prüflinge gleichzeitig verifiziert werden. Das gibt zum einen eine statistisch höhere Wahrscheinlichkeit, einen Defekt zu erkennen und dadurch eine stabilere Aussage bei dem Testergebnis zu geben und zum anderen die Möglichkeit, vergleichende Tests durchzuführen.

Verifizierung in rund drei Monaten

Der Antrieb der Prüflinge erfolgt über einen Elektromotor, der durch eine Übersetzung und ein Zahnriemensystem die gewünschte Drehzahl erzeugt. Die Drehzahl und die Anzahl der Umdrehungen werden von einem Drehgeber gemessen. Die Auswertung und Überwachung erfolgt über eine bei Wachendorff geschriebene Anwendung, basierend auf dem grafischen Programmiersystem LabView von National Instruments. Das Akronym steht für ‚Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench‘.

Die Anwendung liefert eine Anzeige der aktuell erfassten Messwerte (Temperatur, Drehzahl, Vibration, Last, Anzahl Umdrehungen) sowie einen Verlauf der Messwerte über die letzten 24 Stunden. Weiterhin wird zusätzlich eine Referenzmessung vom Start des Testlaufs angezeigt. Somit können Änderungen der Messwerte sofort sehr gut erkannt werden.

Auswertung und Analyse

Zusätzlich zu der Anzeige werden alle Messwerte in eine Datei geschrieben, die die Auswertung und Analyse zum Beispiel in Excel oder anderen Programmen ermöglicht. In Abhängigkeit der gewählten Drehzahl und der errechneten Lebensdauer bei 100 % angenommener Lagerlast dauert die Verifizierung eines Lagerpaketes ungefähr 12 bis 15 Wochen. In unserem oben genannten Beispiel für den Industrial-Ethernet-Drehgeber bestanden die Prüflinge den Test nach 13 Wochen erfolgreich – für Wachendorff daher ein überaus beruhigendes Gefühl, die objektive Bestätigung zu bekommen, die richtige Wahl getroffen zu haben!

Quelle:  Wachendorff Automation GmbH & Co. KG