Reibmomentenprüfstand Lars Holland, Dipl.-Ing. holland@ptw.tu-darmstadt.de

Inhalt Projektübersicht Motivation und Zielstellung Verlustleistung durch Druckluft Verlustleistung durch Reibung Grundlagen Wälzlagerung – Lagerkinematik Prüfstands- und Messaufbau Prüfstandsidee – Original Spindelkopf Kopplung Prüfstand und Prüfstandsumgebung Prüfstand Drehzahl- und Drehmomentsensor Auswertung Vorgehen Auswertung Beispielhafter Messschrieb Ergebnisse Reibmoment in Bezug auf die Lagergeometrie – Druckwinkel Reibmoment in Bezug auf die Lagerschmierung HCRS Reibmoment in Bezug auf die Lagergeometrie – Kugelgröße Reibmoment in Bezug auf die Lagerschmierung – Hintergrund Reibmoment in Bezug auf die Vorspannung Energie- bzw. Ressourcenverbrauch in Bezug auf die Schmiermittel Reibmoment in Bezug auf die Lagerschmierung HCB Ergebniszusammenfassung Versuche mit einer CFK-Welle Vergleich Baugruppe Stahlwelle und CFK-Welle – Bauteile Vergleich Verlustleistung Stahl/CFK-Welle Versuchsaufbau Exemplarischer Vergleich der Verläufe Stahl/CFK-Welle Kontakt PTW

Projektübersicht EnergieMSP – Energiebedarfsoptimierte Motorspindel und angepasster elektrischer Antriebsstrang Projektinhalte Wesentliche Ergebnisse Energieeffiziente Antriebsspeisung Optimierung durch Leichtbau Verlustminimierte Spindelkomponenten Ermittlung und Optimierung des Energiebedarfs einer Motorspindel Untersuchte Motorspindelkomponenten: Antriebsstrang (Einspeisung, Umrichter, Spindel) Wälzlagerung und Drehdurchführung Spindelwelle Werkzeugspannsystem Medienversorgung Magnetlagerung Reibmomentprüfstand Vergleich Fett/Öl-Luft- geschmierte Wälzlager Reduzierung der Reibung im Lager Steigerung der erreichbaren Drehzahl Leistungsprüfstand Lastabhängige Vorsteuerung der Feldströme Berücksichtigung temperatur-abhängiger Maschinenkonstanten CFK-Spindelwelle (nicht verifiziert) Elektromechanisches Werkzeugspannsyst. Magnetgelagerte Motorspindel Wichtige Projektdaten Projekt-/Ansprechpartner: Förderträger: BMBF Hr. Greif Dr. Klesen Projektlaufzeit: 01.07.2009-30.11.2012 Hr. Gelbke Hr. Klimach Förderkennzeichen: 02PO2272 Hr. Speer Projektbearbeiter PTW: AS, SR, TS, Ha, LH Fr. Laugisch Inhalt

Motivation und Zielstellung Motivation – Verlustleistung durch Druckluft  1 Nm3 = 0,01 € (neue Anlage; bestehende Anlagen sogar 2-3 Cent/Nm³); Quelle: VDMA 24378 Prognose des Energieverbrauchs von Lackieranlagen, Entwurf (2009) Druckluftverbrauch bei Öl-Luft-Schmierung Einsparpotential: 7,98 Nm³/h x 6000 h x 0,01 €/Nm³ = 478 € 478 € / 0,10 €/kWh = 4780 kWh 4780 kWh / 6000 h = 796 W Druckluftverluste setzen sich zusammen aus: Lagerschmierung Sperrluft ( Dichtungen) Ölabsaugung Spindelgehäuse (Venturi-Effekt) Kegelreinigung beim Werkzeugwechsel Inhalt

Motivation und Zielstellung Motivation – Verlustleistung durch Reibung Quelle: FAG Quelle: Dissertation S. Stein Einflussfaktoren: Drehzahl, Vorspannung, Temperatur, Schmierung, äußere Belastung Roll- und Bohrreibung in der Kontaktzone Gleitreibung zw. Lagerringen & Käfig Gleitreibung zw. Kugel & Käfig Irrevers. Verformungs- arbeit an den Kugeln Ziel: Minimierung der Reibung in Wälzlagern durch Optimierung der Innenkonstruktion, der Käfigführung, der Käfigmaterialien Ersetzen von Öl-Luft-geschmierten Lagern durch fettgeschmierte. Inhalt

Motivation und Zielstellung Grundlagen Wälzlagerung – Lagerkinematik Zentrifugalkraft Kontaktkraft außen Kontaktkraft innen Innenring Außenring Einflussfaktoren in Schrägkugellagern Lagerspiel Vorspannung (axial) Drehzahl Temperatur Schmierung externe Kräfte/Lasten Zentrifugalkraft Vorspannung Zentrifugalkräfte erhöhen den Kontaktwinkel αi und verringern den Kontaktwinkel αo. Die Vorspannung erhöht den Kontaktwinkel Temperaturdifferenz führt zu einem verringerten Kontaktwinkel α0 – Nominaler Kontakt Winkel α* – Kontaktwínkel unter Vorspannung α* – Kontaktwínkel unter Vorspannung und Temperatur Inhalt

Prüfstands- und Messaufbau original „Spindelkopf“ Loslager Festlager Gehäuse Wellen-dummy Original Kesslerspindel Inhalt

Prüfstands- und Messaufbau Antriebsspindel der Fa. Precise SC 82-O Leistungsdaten: max. Drehzahl: 40000 rpm Leistung 2,6 kW Motornennstrom: 8 A Schmierung Kupplung Spindelkopf Drehmoment-Sensor Drehzahl-Sensor Luftlager Verlustleistung = 𝒏 1 𝑚𝑖𝑛 60 𝑠𝑒𝑐 𝑚𝑖𝑛 ∙2𝜋 ∙ 𝑴 𝑁𝑐𝑚 100 𝑐𝑚 𝑚 Kühlung Inhalt

Drehzahl-Zeit-Diagramm Auswertung Vorgehen Auswertung Audioaufnahmen und Messdaten Messdaten Auswertung Drehzahl-Zeit-Diagramm Inhalt

Auswertung T3 T2 Beispielhafter Messschrieb T1 S2 - + S2 T1 T2 T3 Beispielhafter Messschrieb Wälzlagertyp: HCRS 19/20 (Schrägkugellager) Drehzahl n = 22000 U/min Vorspannung 1000 N Beharrungszustand Drehmoment [Ncm] Drehzahl [1000/min] s1 [µm] s2 [µm] T1 [°C] T2 [°C] T3 [°C] Inhalt

Ergebnisse Reibmoment in Bezug auf die Lagergeometrie – Druckwinkel Drehzahlkennwert n * dm = 1,7 Mio. mm/ min Inhalt

Ergebnisse Reibmoment in Bezug auf die Lagergeometrie – Kugelgröße Schmierung: Öl/Luft Vorspannung: 1,5 x hoch HC…25° (kleine Kugeln) HCB…25° (große Kugeln) HCRS…20° (große Kugeln) Schmierung: Fett, SPEED 2,6 Vorspannung: 1 x hoch Quelle: EnergieMSP Inhalt

Ergebnisse Reibmoment in Bezug auf die Vorspannung Inhalt Lagertyp: HCB…25° Schmierung: Fett, SPEED 2,6 Lagertyp: HCRS…20° Schmierung: Fett, SPEED 2,6 Inhalt

Ergebnisse Reibmoment in Bezug auf die Lagerschmierung HCB Inhalt Lagertyp: HCB…25° Vorspannung: 1 x hoch Fett, SPEED 2,6 Öl/Luft Inhalt

Stand der Technik für Fettschmierung Ergebnisse Reibmoment in Bezug auf die Lagerschmierung HCRS Lagertyp: HCRS…20° Vorspannng: 1 x hoch Bauart: HCB…25° Vorspannung: 1 fach Hoch Meßwerte Fett, SPEED 2,6 Öl/Luft Stand der Technik für Fettschmierung Inhalt

Ergebnisse Reibmoment in Bezug auf die Lagerschmierung – Hintergrund Temperatur AR [°C] Reibung Temperatur [°C] Ölvolumen [mm3/h] Grenzreibung Misch- fluid/hydrodynamic lubrication Bereich der erhöhten Betriebssicherheit Ölvolumen [mm3/h] Inhalt

Ergebnisse Energie- bzw. Ressourcenverbrauch in Bezug auf die Schmiermittel Lagertyp: HCRS…20°, Vorspannung: 1 x hoch Drehzahlkennwert n*dm = 1,7 *106 mm*min-1 (entspricht n = 20000 min-1) Fettschmierung: Fettvolumen 4,35 cm3 (Katalogwert) Berechnete Fettgebrauchsdauer F10 = 5500 h Öl-Luft-Schmierung: Ölvolumen: 0,18 cm3/ h pro Lager Luftvolumen: 1800 Nl/ h pro Lager Verbrauch pro Lager in 5500 Stunden Standard- liter cm³ cm³ dm³ Inhalt

Ergebnisse Ergebniszusammenfassung Bauart: HCRS…20° Fett Öl/ Luft Quelle: FAG fettgeschmierte Lager mit Drehzahlkennwerten > 2,2 * 106 mm/min entwickelt (FAG) keine Erhöhung der Lager- reibung durch fettgeschmierte Wälzlager Reduktion des Druckluftverbrauchs Drehzahlkennwert n*dm Einsparpotential: 7,98 Nm³/h x 6000 h x 0,01 €/Nm³ = 478 € Inhalt

Versuche mit einer CFK-Welle Vergleich Baugruppe Stahlwelle und CFK-Welle – Bauteile Wälzlager Wellenmutter CFK Stahlwelle CFK-Welle Wellenmutter Stahl Spacer-Ring (groß) Stahl Spacer-Ring (groß) CFK Spacer-Ring CFK Spacer-Ringe Stahl Stahl-Referenz-Welle CFK-Welle 11 kg Inhalt

Versuche mit einer CFK-Welle Versuchsaufbau Reibmomentprüfstand mit modifizierter Sensorik (wegen CFK) S1 – Laser-Abstandssensor (Keyence)  axiale Verschiebung S2 – keine Veränderung (Wirbelstromsensor) S3 – Laser-Abstandssensor (Keyence)  radiale Wellenaufweitung S2 S2 S1 S3 S1 S3 Inhalt

Versuche mit einer CFK-Welle Vergleich Verlustleistung Stahl/CFK-Welle Stahl-Welle CFK-Welle Erhöhte Reibung bei Einsatz der CFK-Welle Inhalt

Versuche mit einer CFK-Welle Exemplarischer Vergleich der Verläufe Stahl/CFK-Welle T2 ≈ 35°C Versuchsparameter: HCRS-Lager Drehzahl 22000 U/min, Vorspannung 650 N Stahl-Welle CFK-Welle T2 ≈ 60°C Temperatur am Loslager bei CFK-Welle um ~25° höher als bei Stahl-Welle. Vermutlich wegen der schlechteren Wärmeleitung von CFK gegenüber Stahl Inhalt

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Lars Holland, Dipl.-Ing. holland@ptw.tu-darmstadt.de +49 6151 | 16 54 80 Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße 2 64287 Darmstadt Tel.: +49 61 51 | 16 21 56 Fax: +49 61 51 | 16 33 56 E-Mail: info@ptw.tu-darmstadt.de Internet: www.ptw.tu-darmstadt.de Inhalt