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Lebensdauer

Lebensdauer von Linearsystemen

Wenn ein Linearsystem unter Belastung bewegt wird, werden auf Dauer die Wälzkörper und / oder Laufbahnen aufgrund von Materialermüdung abblättern und das System wird ausfallen. Der Verfahrweg, den ein Linearsystem zurücklegen kann, bevor zum ersten Mal ein Schaden auftritt, ist definitionsgemäß die Lebensdauer des Systems. Ein Linearsystem kann aber auch durch überhöhte Temperaturen, Rissbildung, Tribokorrosion oder Korrosion funktionsunfähig werden. Diese Faktoren werden von denen unterschieden, die die Lebensdauer beeinflussen, da sie mit der Montagegenauigkeit, der Betriebsumgebung und dem Schmierverfahren zusammenhängen.

Nominelle Lebensdauer

Selbst wenn zwei Linearsysteme gleichzeitig hergestellt werden, die gleiche Teilenummer haben und unter den gleichen Bedingungen eingesetzt werden, kann ihre Lebensdauer unterschiedlich sein. Das liegt an unterschiedlicher Materialermüdung. Daher kann die Lebensdauer eines bestimmten Linearsystems nicht mit Sicherheit vorhergesagt werden. Somit wird die nominelle Lebensdauer statistisch ermittelt. Definitionsgemäß ist dies der Verfahrweg, den 90 % der Linearsysteme zurücklegen können, bevor ein Ausfall erfolgt.

Dynamische Nennbelastung

(gemäß ISO14728-1*2) und dynamisches Nennmoment

Die Lebensdauer eines Linearsystems wird als zurückgelegter Verfahrweg ausgedrückt. Daher wird die Lebensdauer eines Linearsystems anhand der zulässigen Belastung berechnet, unter der ein Linearsystem einen gewissen Verfahrweg erreichen kann. Diese zulässige Belastung ist ein Maß für die Leistung des Systems, es ist die dynamische Nennbelastung. Sie ist als eine konstante Belastung definiert, unter der das Linearsystem einen Verfahrweg von 50 km erreicht. In einigen Fällen oder bei einigen Linearsystemen kann die dynamische Nennbelastung in Abhängigkeit von der Lastrichtung unterschiedlich sein. Im NB-Katalog für Linearsysteme wird der Wert der dynamischen Nennbelastung angenommen, wenn eine Kraft genau von oben einwirkt und den Abmessungstabellen zu entnehmen ist. Bei Nutwellenführungen kann die Linearbewegung eine Drehmomentbelastung beinhalten. Somit ist die dynamische Nennbelastung des Drehmoments ähnlich definiert.

*2: Für einige Produkte gilt dies nicht.

Berechnung der nominellen Lebensdauer

Die Berechnung der nominellen Lebensdauer richtet sich nach der Art der jeweiligen Wälzkörper. Die beiden Gleichungen (3) und (4) gelten für Kugeln beziehungsweise Rollen. Bei Momentbelastung gilt die Gleichung (5).

Viele Variablen, wie beispielsweise die Genauigkeit der Linearführungen, die Montagebedingungen, Betriebsbedingungen, Vibrationen und Stöße bei der Linearbewegung beeinträchtigen die tatsächliche Anwendung. Das erschwert die genaue Berechnung der tatsächlichen Belastung erheblich. Generell wird die Berechnung vereinfacht, indem man entsprechende Koeffizienten verwendet, die diese Effekte berücksichtigen. Diese Koeffizienten betreffen beispielsweise die Härte (fH), die Temperatur (fT), den Kontakt (fC) und die Belastung (fW). Wenn man diese Koeffizienten verwendet, können die Gleichungen (3) bis (5) durch die Gleichungen (6) bis (8) ausgedrückt werden.

Wenn der pro Zeiteinheit zurückgelegte Verfahrweg bekannt ist, kann die Lebensdauer in Zeiteinheiten (Stunden) ausgedrückt werden. Die Beziehung zwischen dem Hubweg, der Anzahl der Doppelhübe (Zyklen) pro Minute und der Lebensdauer wird durch die Gleichung (9) ausgedrückt.

Härtekoeffizient (fH)

Bei Linearsystemen übernimmt die Schiene die gleiche Funktion wie der Innenring eines Kugellagers. Somit gilt die Härte der Führungsschiene als wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Tragzahl. Bei einer Oberflächenhärte von unter HRC58 ist die Tragzahl geringer. NB verwendet ein modernes Verfahren zur Wärmebehandlung, um die notwendige Härte zu gewährleisten. Wenn jedoch Führungsschienen verwendet werden müssen, die nicht hart genug sind, dann muss die Lebensdauer unter Berücksichtigung der in der rechten Abbildung angegebenen Härtekoeffizienten berechnet werden.

Temperaturkoeffizient (fT)

Die Linearsysteme von NB werden gehärtet, um minimalen Verschleiß zu gewährleisten. Wenn die Betriebstemperatur 100 ˚C überschreitet, beeinträchtigt das die Härte und verkürzt die Lebensdauer des Systems. Der Temperaturkoeffizient, der bei der Lebensdauerberechnung berücksichtigt wird, ist der rechten Abbildung zu entnehmen.

Kontaktkoeffizient (fC)

Wenn zwei oder mehr Führungswagen in direktem Kontakt zueinander auf einer Schiene laufen, müssen die einzelnen Toleranzen und die Genauigkeit der Montageflächen berücksichtigt werden. Generell sollten die in der rechten Tabelle genannten Werte für die Koeffizienten zur Berechnung der Lebensdauer verwendet werden.

Belastungskoeffizient (fW)

Bei der Berechnung der Belastung sollten Massen, externe Kräfte und Momente bei allen Bewegungsabläufen genau angegeben werden. Es ist jedoch aufgrund der vielen Variablen, die hier eine Rolle spielen, sehr schwierig, die Belastung genau zu bestimmen. Dazu zählen beispielsweise die Belastungen bei Beschleunigung und Verzögerung sowie der Vibrationen und Stöße. Die in der rechten Tabelle aufgeführten Werte vereinfachen die Bestimmung der Belastung.

Verfahren zur Bestimmung der Belastung (1)

Typische Fälle für den Einbau von Linearsystemen und die Gleichungen zur Bestimmung der Belastungen für jeden einzelnen Fall sind in den Tabellen unten zusammengefasst. W: Gewichtskraft (N) P1 bis P4: Belastung der Führungswagen (N) X,Y: Wagen- bzw. Achsabstände (mm) x,y,ℓ: Abstand der Last zur Systemmitte (mm) g: Erdbeschleunigung (9,8 x 103mm/s2) V: Geschwindigkeit (mm/s) t1: Dauer der Beschleunigung (s) t3: Dauer der Verzögerung (s)

Unter statischen Bedingungen oder bei einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit
Äquivalenzkoeffizient

Die Linearsysteme werden im Allgemeinen mit zwei Achsen eingesetzt, wobei an jeder Achse mehrere Lagerelemente (Führungswagen oder Kugelbuchsen etc.) verwendet werden. Bei Verwendung nur eines Lagerelementes, oder wenn zwei davon auf Stoß verwendet werden, werden die rechnerischen Belastungen aus Momenten mit einem Äquivalenzkoeffizienten multipliziert. Nachfolgend die Gleichung zur Berechnung der Äquivalenzbelastung, wenn ein Moment auf das Linearsystem wirkt.

P: Äquivalente Momentbelastung pro Lagerelement (N)
E: Äquivalenzkoeffizient
M: Moment (Nmm)

Verfahren zur Bestimmung der Belastung (2)

Die Tabellen unten enthalten Gleichungen zur Bestimmung der Belastung in allen Fällen, unter denen das Linearsystem einem Moment ausgesetzt wird. W: Gewichtskraft (N) P: Belastung des Linearsystems (N) ℓ: Abstand zum Mittelpunkt eines Lagerelements (mm)

Durchschnittliche Belastung

Die Belastung eines Linearsystems variiert im Betrieb, in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen. Das beinhaltet Beschleunigungs- und Verzögerungsanteile und Anteile mit konstanter Geschwindigkeit. Die durchschnittliche Belastung dient zur Berechnung der Lebensdauer in Abhängigkeit von den tatsächlichen Anwendungsbedingungen.

Wenn die Belastung stufenweise bei den Weganteilen variiert

1 der mit der Belastung P1 zurückgelegte Weganteil
2 der mit der Belastung P2/p>

・               ・
・               ・
・               ・

n ist der mit der Belastung Pn zurückgelegte Weganteil.
Die durchschnittliche Belastung Pm wird mit der folgenden Gleichung ermittelt.

Pm: durchschnittliche Belastung (N)
: zurückgelegter Gesamtweg (m)

Wenn die Belastung linear vom zurückgelegten Weg abhängt

Die durchschnittliche Belastung Pm wird mithilfe der folgenden Gleichung näherungsweise ermittelt.

Pmin: Mindestbelastung (N)
Pmax: Höchstbelastung (N)

Wenn eine sinusförmige Belastung gemäß der rechten Abbildung (a) und (b) auftritt

Die durchschnittliche Belastung Pm wird mithilfe der folgenden Gleichung näherungsweise ermittelt.

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