„Die Konkurrenz schläft nicht, und der Automobilmarkt unterliegt einem ständigen Wandel“, resümiert Andreas Schmitz. Er ist Gruppenleiter Technik bei der Walther Flender GmbH in Düsseldorf. Das Maschinenbau-Unternehmen besteht nun schon seit rund 85 Jahren und beschäftigt an sieben Produktionsstandorten in Europa und Asien etwa 300 Mitarbeiter. „Zu unserem Kerngeschäft gehört die Entwicklung und Fertigung von Zahnriemenantrieben, Antriebsgruppen, Getriebemotoren, Kupplungen oder auch Antriebskomponenten wie unsere Schwerlast-Tragrollen“, beschreibt Schmitz. Herausforderungen sieht der Gruppenleiter unter anderem in der Entwicklung der Elektromobilität, da diese das Gewicht der Fahrzeuge und damit die Belastungen auf die Tragrollen beeinflusst. 

„Um uns in diesem doch sehr harten Wettbewerbsumfeld behaupten zu können, müssen wir äußerst wirtschaftlich arbeiten“, sagt der Gruppenleiter und zeigt im Versuchslabor auf einen Prüfstand. „Hier simulieren wir den tatsächlichen Einsatz unserer Tragrollen.“ Ein Schlitten, auch Skid genannt, fährt von links nach rechts und wieder zurück im Dauerbetrieb auf der Rollbahn. Dabei kann die Belastung auf die Rollen entsprechend den Kundenanforderungen angepasst werden. Walther Flender hat bereits mehrere tausende Tragrollenvarianten konstruiert. Die in zahlreichen Anwendungen erfolgreich eingesetzte Baureihe M-Flex besteht zum Beispiel im Kern aus dem Polyamid PA66 und ist mit einer Bandage aus thermoplastischem Polyurethan umspritzt. Sind die Anforderungen in punkto Transportlast erhöht, kann das Transportgewicht durchaus auch mehrere Tonnen betragen. In diesen Fällen besteht der Kern aus Stahl. Die Komponenten Laufkörper und Zahnscheibe werden bei der klassischen Rohrvariante auf das Tragrohr als feste Einheit verbaut und anschließend zusammen auf eine Achse aufgeschoben.

„Allgemein versuchen wir Standardkomponenten zu verwenden“, beschreibt Schmitz. „Durch die standardisierte Bauweise gelingt es uns, die Lieferzeit deutlich zu verkürzen.“ Wellen und Rohre stellen die Düsseldorfer immer kundenspezifisch her. Natürlich werden auch die Standards kundenspezifisch durch Nacharbeit angepasst. Nicht selten sind die Geometrieabweichungen aber so groß, dass sie mit dem normalen Standard nicht abzudecken wären. Aber auch in diesem Fall unterstützt Walther Flender seine Kunden und entwickelt gegebenenfalls maßgeschneiderte Individuallösungen.

Stoff- oder Formschluss entscheiden über Bruchgefahr

„Das Schlimmste, was bei unseren Tragrollen im Einsatz passieren kann – sie brechen“, berichtet Schmitz. Dann steht der Betrieb still, das kann für den Anwender teuer werden. Diese Wahrscheinlichkeit ist an der Verbindungstelle von Zahnscheibe und Rohr am höchsten. „Denn hier entstehen unter anderem durch die permanente Rotation, das Gewicht des Schlittens oder auch die Spannungen, die der Zahnriemen verursacht, die höchsten Biegewechselbelastungen“, erläutert der Konstrukteur Dennis Fundke. „Jede Verbindungsart hat ihre Berechtigung, doch sie muss für den jeweiligen Einsatzfall sorgfältig gewählt werden.“

Die Ingenieure haben sich bewusst für die Toleranzhülsen von Dr. TRETTER entschieden. Diese Bauteile werden in die Zahnscheiben gesetzt und verbinden damit beide Komponenten kraftschlüssig miteinander. Sie können so die Umfangskraft des Zahnriemens auf die Zahnscheibe und von dort zum Rohr übertragen. „Beim Schweißen hingegen verändert sich das Gefüge der Materialien. Dadurch leidet die Dauerfestigkeit und es besteht durch die hohen Biegewechselmomente an der Verbindungsstelle erhöhte Bruchgefahr. Diese Gefahr geht mit den Toleranzhülsen gegen null“, sagt Fundke. Dazu kommt: Beim Schweißen muss das Rohr größer dimensioniert werden. Zudem leiden durch den Verzug die Rundlaufeigenschaften.

Kleine Bauteile, große Wirkung

Bei Toleranzhülsen handelt es sich um geschlitzte Blechhülsen. In diese sind über den gesamten Umfang Sicken wie Wellenberge eingeprägt, die wie kleine Druckfedern wirken. Durch ein bestimmtes Übermaß des Bauteils werden die Wellenberge elastisch verformt. Dadurch entsteht ein Kraftschluss zwischen Lager und Welle. „Mit dieser Verbindungsart können wir anders als beim Schweißen die Verbindung ganz einfach wieder lösen – ohne dass es zu einer Zerstörung kommt wie beim Schweißen“, erklärt Konstrukteur Fundke. Auch die Montagegeschwindigkeit ist wesentlich höher. Der Monteur benötigt lediglich ein kleines Presswerkzeug, die Demontage kann er mit einem kleinen Abzieher durchführen.

Ist die stoffschlüssige Schweißverbindung gebrochen, gibt es für die Baugruppe auch keine zweite Chance. Die Toleranzhülse dagegen – sollte sie einmal durchrutschen – nimmt danach wieder ihre Arbeit auf. Neben dem Schweißen ließen sich auch Spannsätze verwenden. „Das wäre aber wesentlich teurer als der Einsatz von Toleranzhülsen und erfordert deutlich mehr Montageaufwand“, beschreibt Schmitz. „Durch den extremen Pressverband leidet zudem die Dauerfestigkeit.“ Bei der Toleranzhülse ist der Pressverband dagegen gering, denn der Federstahl schmiegt sich relativ sanft über die Welle.

In unterschiedlichen Bauformen erhältlich

Erhältlich sind Toleranzhülsen in verschiedenen Bauformen. Bei dem System Einheitswelle (AN-Typ) ragt das Wellenprofil nach innen. Die Enden der Toleranzhülse sind offen. Sie wird in einer Nut in der Bohrung fixiert und auf eine Einheitswelle (h9) aufgepresst. Der Spalt verengt sich beim Verpressen mit der Welle. Beim System Einheitsbohrung (BN-Typ) ragt das Wellenprofil nach außen. Die Enden der Toleranzhülse überlappen. Sie wird in einer Nut auf der Welle fixiert und in eine Einheitsbohrung (H9) eingepresst. „Bei den Zahnscheiben verpressen wir vorzugsweise die AN-Toleranzhülse auf die Tragrohre“, sagt Schmitz. Zum Teil werden auch die Naben der Laufrollen mittels BN-Toleranzhülse mit dem Rohr oder der Welle verbunden. „Hier auf dem Prüfstand können wir bei Ausfall der Komponente oder nachdem die Versuche beendet sind, diese ganz einfach tauschen.“

Eingebaut werden die Bauteile zentriert. Dabei wird die AN-Hülse in eine Nut in der Bohrung und die BN-Hülse in eine Nut in der Welle eingelegt. Die Nutbreite ist vorgegeben, um eine ideale Verbindung zu garantieren. Auch bei der Montage ist dieser Einbau vorteilhafter, weil sich die in die Nut eingelegte Hülse an deren Seitenflächen abstützen kann. Eine Deformierung aufgrund von Verkanten lässt sich so vermeiden. Durch die Federwirkung ergibt sich automatisch eine gewisse Eigen-Zentrierung sowie ein Ausgleich von Mittenversätzen. Weiterhin haben die Federeigenschaften eine reduzierende Wirkung auf Vibrationen und Schwingungen und tragen somit zur Geräuschminderung bei.

In Sachen Wirtschaftlichkeit unübertroffen

Die Toleranzhülsen hat Walther Flender bei den Schwerlast-Tragrollen standardisiert. „Sie sind geradezu prädestiniert, um kleinere und mittlere Drehmomente in dieser Anwendung zu übertragen“, sagt Schmitz. Viele Auftraggeber sind vom Einsatz der Toleranzhülsen bei der Walther Flender GmbH so überzeugt, dass sie diese Verbindungslösung als Standard festgelegt haben, an die sich auch die Marktbegleiter des Maschinenbauers halten müssen.

Werden neue CNC-Maschinen erworben, widmen sich die Entscheider in der Regel mit großer Hingabe der Maschinenausstattung. Es gilt, die optimal bestückte Maschine zu erwerben, um die eigene Fertigung noch leistungsstärker und flexibler zu machen. Ob CNC-Steuerung, zusätzliche Arbeitsachse oder automatisches Teilehandling – jedes Detail wird akribisch in den Fokus genommen, ob diese oder jene Option einen Mehrwert verspricht.

Während die Leistungskraft der zu erwerbenden Maschine im Zentrum des Interesses steht, wird sehr oft übersehen, dass diese nur eine bestimmte Zeit zur Verfügung steht. Der Grund liegt im Verschleiß mechanischer Teile im täglichen Einsatz. Dieser Verschleiß macht sich etwa in Maß-, Oberflächen- und Formabweichungen der Werkstücke bemerkbar.

Lebensdauerberechnung und Lieferzeiten
Im Fall der in Werkzeugmaschinen verbauten Kugelrollspindeln kann mittels ausgereifter Berechnungsprogramme deren Lebensdauer recht gut berechnet werden. Diese Daten können die Grundlage für ein vorausschauendes Beschaffungsmanagement bilden, rechtzeitig Ersatz für die im Laufe der Zeit an die Verschleißgrenze kommende Kugelrollspindel zu besorgen.

Doch dies ist erst die halbe Miete, zum Überholungs-Termin die passende Kugelrollspindel im Haus zu haben. Eine echte Hürde sind teilweise sehr lange Lieferzeiten, die zwischen vier Wochen und 12 Monaten liegen, was eine rechtzeitige Beschaffung zu einem Glücksspiel macht. Es ist daher keine schlechte Idee, zum Kauf einer neuen Maschine auch gleich einen Satz Kugelrollspindeln zu erwerben und auf Lager zu legen, damit diese im Service-Fall sofort zur Verfügung stehen.

Von dieser Regel kann dann abgewichen werden, wenn der Lieferant der Werkzeugmaschine über ein gut bestücktes Lager verfügt und garantiert, dass eine Kugelrollspindel auch noch nach vielen Jahren des Maschinenkaufs ab Lager erfolgt. Doch kann es durchaus passieren, dass der Werkzeugmaschinenproduzent in wirtschaftliche Schwierigkeiten kommt, demnach die damals gesagte Zusage im Zuge eines Konkurses nicht mehr einhalten kann.

Es gibt also einige Gründe, die dazu führen, dass ein zwingend nötiger Tausch der Kugelrollspindeln nicht zügig vorgenommen werden kann, was zu teuren Stillstandzeiten der betroffenen Maschine führt. In diesem Fall lohnt es sich, bei den Experten von Dr. TRETTER anzufragen. Hier ist man in Sachen ›Kugelrollspindeln‹ in guten Händen. Dank eines großen Lagers ist das Unternehmen in vielen Fällen in der Lage, ohne große Wartezeit die passende Kugelrollspindel zu liefern.

Damit dies klappt, werden nicht ausschließlich fertige Kugelrollspindeln vorgehalten. Gerollte Spindeln werden etwa aus Meterware produziert und mit lagerhaltigen Muttern ergänzt. Gewirbelte Spindeln werden nach Zeichnung individuell gefertigt, während geschliffene Spindeln in vielen Typenausführungen sogar ab Lager zur Verfügung stehen.

Diese Vorgehensweise ist gerade für Sondermaschinenbauer interessant, da dadurch Maschinen fernab jeden maßlichen Zwangs realisierbar sind. Zudem kann die entsprechende Spindel passgenau hinsichtlich des Einsatzzweckes gewählt werden. Beispielsweise empfehlen sich gerollte Kugelrollspindeln immer dann, wenn es nicht um das Positionieren mit allerhöchster Genauigkeit geht.

Dies ist beispielsweise in der Logistik der Fall. Die von gerollten Kugelrollspindeln erreichbare Genauigkeit von 52 µ auf 300 Millimeter ist für die hier eingesetzten Handlings Automaten völlig ausreichend. Das noch vorhandene Spiel verschwindet zudem komplett, wenn Lasten senkrecht bewegt werden. Übrigens werden gerollte Kugelrollspindeln kalt verformt, weshalb diese keine unterbrochenen Fasern aufweisen, daher über eine sehr widerstandsfeste Oberflächenstruktur verfügen. Auch preislich sind sie sehr interessant, schließlich ist der Laufmeter schon ab 120 Euro zu haben, während für eine geschliffene Kugelrollspindel 1200 Euro für die gleiche Länge zu veranschlagen sind.

Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitig hoher Genauigkeit
Gewirbelte Kugelrollspindeln sind eine gegenüber den gerollten Ausführungen höherwertigere Variante. Sie werden gezielt dort eingesetzt, wo teure, geschliffene Kugelrollspindeln unwirtschaftlich wären. Mit einer Genauigkeit von 23 µ auf 300 Millimeter sind sie deutlich präziser als gerollte Kugelrollspindeln und eignen sich daher überall dort, wo diese Genauigkeit nötig ist.

Reicht selbst eine derartige Genauigkeit nicht mehr aus, sind geschliffene Kugelrollspindeln die richtige Wahl. Diese verfügen über eine Genauigkeit von 12 µ auf 300 Millimeter, was sie für den Einsatz in hochpräzisen Werkzeugmaschinen prädestiniert. Die Laufbahn für die Kugeln ist induktiv auf 60 bis 64 HRC gehärtet, der Kern hingegen weich, sodass die Kugelrollspindel sich elastisch verhält und doch über einen hohen Verschleißwiderstand verfügt. Damit die hohen Ansprüche der Werkzeugmaschinenhersteller befriedigt werden können, muss eine Kugelrollspindel absolut spielfrei laufen. Erreicht wird dies beispielsweise durch Vorspannung mithilfe einer Doppelmutter. Steht wenig Bauraum zur Verfügung, so kann Spielfreiheit auch durch die Verwendung exakt zueinander passender Kugeln erreicht werden.

Der besondere Trick besteht darin, den Durchmesser jeder produzierten Kugel einzeln auf das tausendstel Millimeter genau zu vermessen und exakt gleiche Kugeln in Sätzen zusammenzustellen. Aus diesen Sätzen werden dann diejenigen Kugeln zusammengestellt, die ein Spiel von genau Null Millimeter oder eine Vorspannung ergeben. Alternativ wäre es möglich, Kugeln ohne Berücksichtigung ihres präzisen Durchmessers einzufüllen und anschließend das Restspiel zu ermitteln. Zu deren Eliminierung ist anschließend eine Kugel gegen eine andere auszutauschen, die einen um das Spiel größeren Durchmesser hat.

Die eingefüllten Kugeln laufen im verbauten Zustand in einem Kreislauf innerhalb der Kugelrollmutter, weshalb der Lauf sehr leichtgängig ist und der Verschleiß sich auf alle Kugeln verteilt. Interessant sind die verschiedenen Möglichkeiten, wie die Kugeln im Kreislauf bewegt werden.

Beim sogenannten Umlenkstücksystem verläuft ein Kugelumlauf über einen ganzen Gewindegang. Am Ende angekommen, werden die Kugeln durch ein Umlenkstück zum Anfang des Ganges zurückbefördert. Beim Umlenkrohrsystem erfolgt diese Zurückbeförderung über ein Umlenkrohr, während beim Endkappenumlenksystem Rückführbohrungen in einer Endkappe dafür verantwortlich sind.

Expertenwissen für individuelle Anforderungen
Abhängig von der zu bewegenden Last, dessen Beschleunigung und der gewünschten Lebensdauer ist es den Experten von Dr. TRETTER möglich, anhand von Berechnungsprogrammen die notwendige Größe der zu den Anforderungen passenden Kugelrollspindel zu berechnen. Zudem helfen sie bei der Auswahl des stimmigen Kugelgewindetriebs, indem sie die Positioniergenauigkeit, die maximale Verfahrgeschwindigkeit und die gewünschte Lebensdauer erfragen.

Die Dr. TRETTER-Fachberater geben auch Tipps, aus welchen Werkstoffen die Kugelrollspindel bestehen muss, damit sie im eingesetzten Umfeld problemlos funktioniert. So ist beispielsweise im Lebensmittelbereich ein Korrosionsschutz zwingend nötig, während in der Vakuum- und Reinraumtechnik keine Kunststoffe verwendet werden dürfen, um eine Partikelabgabe zu verhindern.

Die Montage einer Kugelrollspindel sollten nur speziell geschulte Fachleute vornehmen, da Kugelrollspindeln absolute Präzisionsteile sind, die eine falsche Handhabung übel nehmen. Beispielsweise kann bereits das einmalige Fallenlassen der Kugelrollspindel diese unbrauchbar machen. Keinesfalls sollte zur Montage die Mutter abgenommen werden, da dadurch Kugeln aus ihren Umlaufbahnen herausgeraten können und deshalb die Kugelrollspindel wieder zur Montage ins Werk zurückgebracht werden muss.

Konstrukteure von Maschinen müssen darauf achten, dass die Kugelrollspindel nur Axialkräfte aufnimmt. Keinesfalls darf eine Kugelrollspindel als Führung für den Tisch dienen. Zur Drehmomentübertragung ist eine Kupplung vorzusehen, um Biegemomente zu vermeiden.

Maschinenbediener müssen zudem darauf achten, dass die Spindel regelmäßig abgeschmiert wird. Unter gewöhnlichen Bedingungen genügt es, das Fett einmal jährlich zu prüfen beziehungsweise nachzufüllen. Sollte es sich um einen wartungsfreien Kugelgewindetrieb handeln, so kann dies selbstverständlich entfallen.

Dr. TRETTER zeigt in Hannover sein gesamtes Produktspektrum. Dazu gehören zum Beispiel Drehmomentkugelbuchsen. Die neueste Entwicklung aus diesem Segment sind die Hub-Dreh-Module. Diese vereinen die Eigenschaften eines Kugelgewindetriebs mit einer verdreh-gesicherten Drehmomentwellenführung. Mit den Baureihen MOVITEC und MONOCARRIER präsentiert Dr. TRETTER Lineareinheiten, die sich für Positionier- und Handlingaufgaben vielfältig einsetzen und einfach in verschiedene Applikationen integrieren lassen. Die Achsen bestehen aus Aluminiumprofilen, teils sind sie auch in Stahl ausgeführt. Besucher können sich darüber hinaus über die ab Lager lieferbaren C-Typen aus dem Programm der Profilschienenführungen, über Rundführungen mit Kugelbuchsen, verdreh-gesicherte Rund-, Alu-Schienen-, Miniatur- und Laufrollenführungen mit Messsystem, Kugelgewindetriebe, komplette Linearachsen oder auch Toleranzhülsen und Kugelrollen informieren. Dr. TRETTER liefert zuverlässig Qualitätsprodukte mit einem optimalen Preis-Leistungsverhältnis.

Auf der Hannover Messe präsentiert sich das Unternehmen zudem als Technologie-Partner. Anwender erhalten bei Dr. TRETTER eine individuelle, technische Beratung und persönliche Projektunterstützung. Das Team hilft beispielsweise bei Auslegung und Berechnung der benötigten Linearkomponenten. Dr. TRETTER liefert maßgeschneiderte und anwendungsorientierte Lösungen bei hoher Flexibilität.

Dr. TRETTER auf der Hannover Messe: Halle 16, Stand D01

Rechberghausen, 22.02.2019 – Die all about automation in Friedrichshafen ist der Branchentreffpunkt für Automatisierer aus der internationalen Bodenseeregion und Umgebung. Für Dr. TRETTER ist das eine ideale Gelegenheit, einen Ausschnitt aus seinem umfangreichen Sortiment zu präsentieren. Dazu gehören unter anderem die Toleranzhülsen – geschlitzte Blechhülsen mit Sicken, die wie Wellenberge eingeprägt sind. Als Standardmaterial dient Niro-Federbandstahl, das Temperaturen bis zu 250 Grad Celsius standhält. Sonderausführungen können sogar bei Temperaturen bis zu 450 Grad Celsius oder auch in aggressiven chemischen Umgebungen eingesetzt werden.

Die Toleranzhülse sitzt im Spalt zwischen Lagerbohrung und Welle. Für den Festsitz sorgen die Wellenberge, die über den gesamten Umfang der Toleranzhülse verteilt sind und wie viele kleine Druckfedern wirken. Durch ein bestimmtes Übermaß der Toleranzhülse werden die Wellenberge elastisch verformt. Dadurch entsteht ein Kraftschluss zwischen Lager und Welle. Die Bauteile können so zum Beispiel Mittenversätze ausgleichen, Schwingungen oder Temperaturausdehnungen verhindern. Zum Einsatz kommen sie unter anderem in Schwung- oder Zahnrädern in der Antriebstechnik sowie bei  Pumpen und Motoren für den Lagersitz, zum Ausgleich von Mittenversatz oder unterschiedlicher Temperaturausdehnungen, sowie zur Befestigung von Pumpenrädern, Riemenscheiben, Lüfterrädern und Drehgebern. In verschiedenen Elektromotoren wird mittels einer Toleranzhülse auch der Stator im Gehäuse befestigt. In einer ganz besonderen Anwendung hat ein Hersteller von Absturzsicherungssystemen für Industriekletterer oder auch Dachdecker Toleranzhülsen sogar als Falldämpfer verbaut: Im Falle eines Absturzes schwächen sie den Ruck auf den Körper deutlich ab. Wie das genau funktioniert, erklären die Fachleute auf dem Messestand im Detail.

In Friedrichshafen können sich die Messebesucher über weitere Lösungen aus dem umfangreichen Programm von Dr. TRETTER informieren. Dazu gehören Kugelrollen, Miniaturführungen, Laufrollenführungen mit Messsystem oder auch Kugelgewindetriebe.

Dr. TRETTER auf der all about automation Friedrichshafen: Halle B1, Stand 223

Besuchen Sie uns auf aaa Leipzig 2019. 

11.09.2019 – 12.09.2019
Leipzig
Halle A

Eventdatum: 11.09.19 – 12.09.19

Eventort: Schkeuditz