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Profilschienenführungen - Berechnung der Lebensdauer einer Linearführung
In der industriellen Automatisierung und im Maschinenbau sind Profilschienenführungen das Rückgrat präziser und effizienter Bewegungsabläufe. Doch wie lange halten sie wirklich – und welche Faktoren beeinflussen ihre Lebensdauer? In unserem Blog erhalten Sie Informationen darüber, welche Arten der Lebensdauer relevant sind, welche Vor- und Nachteile Profilschienenführungen bieten und wie Sie durch präzise Berechnungen und gezielte Optimierungen die Standzeit Ihrer Anlagen maximieren. Lesen Sie weiter und erfahren Sie, wie Sie durch sorgfältige Entscheidungen Betriebsausfälle vermeiden und langfristige Produktivität sichern.
Vorteile und Nachteile von Profilschienenführungen
Die hohe Tragfähigkeit der Profilschienenführungen ermöglicht es ihnen, große Lasten zuverlässig aufzunehmen, während ihre hohe Steifigkeit für maximale Stabilität und minimale Verformung unter Belastung sorgt. Diese Eigenschaften gewährleisten eine exzellente Präzision und Genauigkeit, die essenziell für hochpräzise Bewegungsabläufe und exakte Positionierungen sind. Dank des geringen Reibungswiderstands, der durch den Einsatz von Wälzkörpern erreicht wird, bewegen sich die Führungen besonders effizient. Dadurch wird sowohl die Leistungsfähigkeit erhöht als auch der Energiebedarf reduziert. Ergänzt durch ihre Langlebigkeit, die durch hochwertige Materialien und eine optimierte Konstruktion erreicht wird, bieten Profilschienenführungen eine dauerhaft zuverlässige Lösung, die selbst unter intensiven Betriebsbedingungen ihre Funktionalität und Präzision über lange Zeiträume hinweg beibehält.
Trotz ihrer zahlreichen Vorteile weisen Profilschienenführungen auch einige Schwachstellen auf, die beim Auslegen der Linearführung berücksichtigt werden müssen. Wie bei jeder Linearführung ist auch die Lebensdauer einer Profilschienenführung begrenzt, da die Wälzkörper und Laufbahnen durch Materialermüdung und Verschleiß allmählich beeinträchtigt werden. Zudem zeigen sie eine eingeschränkte Stoß- und Vibrationsbeständigkeit, da hohe punktuelle Belastungen oder wiederholte Schockeinwirkungen die Präzision und Laufruhe beeinträchtigen können. Übermäßige Verschmutzung durch Staub, Partikel oder Flüssigkeiten kann ebenfalls die reibungsarme Bewegung stören, den Verschleiß erhöhen und sogar zu Ausfällen führen. Um diese Schwächen zu minimieren und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, sind eine sorgfältige Planung, regelmäßige Wartungen und der Einsatz von Schutzmaßnahmen essenziell.
Um die Vorteile und Schwachstellen der einzelnen Typen von Profilschienenführungen besser einordnen zu können, ist es hilfreich, einen grundlegenden Überblick über die Bauweise und Funktionsweise von Profilschienen zu haben. In unserem Blog zu den Grundlagen von Profilschienenführungen finden Sie umfassende Informationen zu deren Aufbau, Funktion und Einsatzmöglichkeiten.
Tatsächliche und nominelle Lebensdauer
Bei der Ermittlung und Bewertung der Lebensdauer von Profilschienenführungen, teils auch Nutzungsdauer genannt, werden zwei unterschiedliche Größen unterschieden.
Die "tatsächliche" Lebensdauer (L)
Da die Rollelemente und -Kontaktflächen durch die ständige Hin- und Herbewegung unter Last einer stetigen Belastung ausgesetzt sind, kommt es an den Linearführungen aufgrund von Materialermüdung zu schuppenförmigen Beschädigungen, die als Abblättern bezeichnet werden. Der Gesamtarbeitsweg bis zur ersten Abblätterungserscheinung wird als Lebensdauer (L), oder auch Nutzungsdauer, der Profilschienenführung bezeichnet. Die Lebensdauer (L) beschreibt also die Zeit bzw. den realen Verfahrweg, über die eine Profilschienenführung in einer spezifischen Anwendung genutzt wird, bevor sie ausgetauscht oder überholt werden muss. Die Lebensdauer wird durch wahre Betriebsbedingungen bestimmt und variiert somit von Anwendung zu Anwendung.
Die nominelle Lebensdauer (L10)
Die nominelle Lebensdauer (L10), teils auch Nennnutzungsdauer genannt, ist die errechnete Lebensdauer (erreichbarer Gesamtarbeitsweg), den eine Profilschienenführung mit einer Erlebenswahrscheinlichkeit von 90% erreichen wird, ohne Abnutzungserscheinungen und Anzeichen von Werkstoffermüdung aufzuweisen. Die nominelle Lebensdauer in Stunden wird mit L10h ausgewiesen.
Bitte beachten Sie, dass MISUMI Profilschienenführungen mit einer auf 50 km Verschiebeweg basierenden Tragzahl (C ≙ C50) berechnet werden. Die DIN ISO 14728-1 und 14728-2 gehen bei der Berechnung von einem Verschiebeweg von 100 km aus. Bei der Berechnung mit 50 km ergeben sich im Vergleich zur DIN ISO daher höhere Tragzahlen.
Berechnen der nomineller Lebenssdauer einer Profilschienenführung
Ganz allgemein basiert die Berechnung der nominellen Lebensdauer (L10) einer Profilschienenführung auf ihren Tragzahlen und den tatsächlichen Belastungen durch eine Nutzlast. Je nach Anwendung und Betrachtungsweise kann die nominelle Lebensdauer in Lastzyklen, Betriebsstunden, Umdrehungen oder zurückgelegter Strecke angegeben werden. Auch die Art des Lagers und somit die Art der Kontaktflächen zwischen Rollkörper und Lauffläche müssen bei der Berechnung der nominellen Lebensdauer berücksichtigt werden.
Kugellager und Rollenlager weisen unterschiedliche Kontaktgeometrien und Tragverhältnisse auf. Diese Unterschiede beeinflussen die Art und Weise, wie Lasten aufgenommen werden und gleichzeitig die mechanischen Beanspruchungen, die während des Betriebs auftreten.
Daraus ergeben sich folgende Formeln zum überschlägigen Berechnen der nominellen Lebensdauer (L10). Wobei sich MISUMI bei der Berechnung auf eine Laufstrecke von 50km bezieht und eine konstante Belastung und Verfahrgeschwindigkeit vorausgesetzt wird.
für Kugellager
L_{10} = \left(\frac{C}{P}\right)^{3}\times 50km
- L10 = nominelle Lebensdauer
- C = Dynamische Tragzahl (N)
- P = Nutzlast (N)
für Rollenlager
L_{10} = \left(\frac{C}{P}\right)^{\frac {10}{3}}\times 50km
Sowohl bei Kugellagern als auch bei Profilschienenführungen wird die Belastung über Wälzkörper (z. B. Kugeln oder Rollen) auf die Laufbahnen übertragen. Die Lebensdauer wird maßgeblich durch die Kontaktspannungen an diesen Punkten beeinflusst. Weitere Informationen zur Lastverteilung in Kugellagern finden Sie in unserem Blog über die Lastverteilung von Kugellagern.
Die Dynamische Tragzahl C
Die bei MISUMI Profilschienenführungen angegebene dynamische Tragzahl C entspricht der in Richtung und Größe konstanten Kraft, die beim Test einer ausreichend große Menge Profilschienenführungen derselben Serie mit einem Verfahrweg von jeweils 50km unter gleichen Bedingungen wirken kann, ohne dass bei mehr als 10% der getesteten Profilschienenführungen Schäden durch Ermüdungserscheinungen aufgrund von Rollkontakten auftreten.
Die dynamische Tragzahl bezieht sich auf eine definierte Strecke von entweder 50km oder 100km. Die bei MISUMI Profilschienenführungen angegebene Tragzahl C entspricht der Tragzahl C50. Eine auf 100km bezogenen dynamische Tragzahl wird mit C100 angegeben.
Die Tragzahl ist einer der grundlegenden Angaben zur Vorauswahl und wird vom Hersteller der jeweiligen Profilschienenführung bereitgestellt. Weitere Informationen zur dynamischen und statischen Tragzahl finden Sie auch in unserem Blog: "Profilschienenführungen - Zulässige Lasten von Linearführungen".
Nutzlast und dynamische äquivalente Belastung
Zur grundlegenden Berechnung der Lebensdauer (L10) wird auch die auf die Profilschienenführung einwirkende Nutzlast (P) benötigt. Die Formel für die überschlägigen Berechnung setzt eine konstante Belastung und Geschwindigkeit voraus. Profilschienenführungen werden aber auch dynamisch belastet. Deshalb betrachtet man auch den dynamischen Einfluss und dessen Auswirkungen auf die Kräfte und Momente.
Dynamischen Einflüsse wie, stufenweise Lastwechsel, Trägheit usw. können entweder vereinfacht über Faktoren ( Koeffizienten) oder durch eine umfangreichere Lastberechnung berücksichtigt werden. Die Berechnung der Nutzlast (P) und dynamische äquivalenten Belastung (Pm) finden sie in unserem Blog: Profilschienenführungen - Zulässige Lasten von Linearführungen.
Lebensdauerberechnung unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren
Um die reellen Einflüsse auf die nominelle Lebensdauer (L10) möglichst umfassend zu berücksichtigen, werden Einflussfaktoren verwendet. Zu diesen Korrekturfaktoren (Koeffizienten) zählen der Härtekoeffizient (fH), der Temperaturkoeffizient (fT), der Kontaktkoeffizient (fC) und der Lastkoeffizient (fW).
Eine Lebensdauerberechnung kann Sie bei der Planung Ihrer Wartungsintervalle unterstützen und dabei helfen, unvorhergesehene Ausfälle und Lagerschäden zu vermeiden. Weitere Informationen darüber, wie Lagerschäden entstehen und welche Symptome und Schadensbilder sie aufweisen, finden Sie in unserem Blog über Lagerschäden.
für Kugellager
L_{10} = \left(\frac{f_H \times f_T \times f_C}{f_W} \times \frac{C}{P}\right)^{3} \times 50km
für Rollenlager
L_{10} = \left(\frac{f_H \times f_T \times f_C}{f_W} \times \frac{C}{P}\right)^{10/3} \times 50km
Faktoren zur Berechnung der Lebensdauer von Profilschienenführungen
Zur Vereinfachten Berechnung der nominellen Lebensdauer einer Profilschienenführung können folgende verschiedene Einflussfaktoren genutzt werden. Sie spielen eine wichtige Rolle dabei, die überschlägig und theoretisch berechnete Lebensdauer an die tatsächlichen Einsatzbedingungen anzupassen.
Härtekoeffizient
Der Härtefaktor bzw. Härtekoeffizient fH berücksichtigt die Oberflächenhärte der Laufbahnen und Wälzkörper.
Eine höhere Härte bedeutet, dass die Laufbahnen weniger anfällig für plastische Verformung oder vorzeitigen Verschleiß sind. Dies ermöglicht eine längere Lebensdauer.
Temperaturkoeffizient
Der Temperaturfaktor bzw. Temperaturkoeffizient fT berücksichtigt die Einflüsse erhöhter Temperaturen auf die Materialeigenschaften. Bei normalen Betriebstemperaturen unter 100 °C entspricht fT = 1.0, da Materialhärte und Schmierstoffeigenschaften unverändert bleiben. Temperaturen über 100 °C können die Materialhärte verringern und die Lebensdauer der Führung verkürzen.
Kontaktkoeffizient
Der Kontaktfaktor bzw. Kontaktkoeffizient fC berücksichtigt die Auswirkungen des Zusammenspiels mehrerer Führungswagen. In der Praxis werden häufig 2 oder mehr Führungswagen auf der Profilschienenführung eingesetzt. Da die Last bei der Bearbeitung jedoch nicht immer gleichmäßig auf alle Führungswagen verteilt wird, variiert auch die pro Führungswagen zulässige Last. Eine schlechte Lastverteilung führt zu höheren lokalen Belastungen und reduziert die Lebensdauer erheblich. Bei einer Lastverteilung auf einen einzelnen Führungswagen beträgt der Kontaktkoeffizient fC = 1.0.
| Anzahl Profilschienenführungen auf der Welle | Kontaktfaktor fC |
|---|---|
| 1 | 1.00 |
| 2 | 0.81 |
| 3 | 0.72 |
| 4 | 0.66 |
| 5 | 0.61 |
Lastkoeffizient
Der Lastfaktor bzw. Lastkoeffizient fW berücksichtigt Schwankungen und zusätzliche Belastungen, die durch dynamische Effekte, Stoßlasten oder unvorhergesehene Kräfte entstehen können. Unter idealen Bedingungen und bei rein statischen Lasten ohne Schwankungen entspricht fW = 1.0. In realen Anwendungen treten jedoch oft Lastspitzen, Vibrationen oder unregelmäßige Belastungen auf, die zu höheren Werten führen können.
| Einsatzbedingungen | Lastfaktor fW |
|---|---|
| Keine Stöße/Vibrationen niedrige Geschwindigkeit: 15 m / min oder weniger |
1.0 bis 1.5 |
| Keine nennenswerten Stöße/Vibrationen mittlere Geschwindigkeit: 60 m / min oder weniger |
1.5 bis 2.0 |
| Mit Stößen/Vibrationen hohe Geschwindigkeit: 60 m / min oder mehr |
2.0 bis 3.5 |
Lebensdauerberechnung in Stunden
Mithilfe des zurückgelegten Weges in einer bestimmten Zeit lässt sich die Lebensdauer in Stunden berechnen. Die Berechnung der nominellen Nutzungsdauer einer Profilschienenführung in Betriebsstunden ist eine gängige Alternative zur Angabe in Verfahrweg, insbesondere wenn die tatsächliche Betriebszeit und Geschwindigkeit von Interesse sind. Diese Methode erlaubt eine genauere Abschätzung der Lebensdauer in realen Anwendungen, da sie auf den Betriebsbedingungen basiert. Die nominelle Nutzungsdauer in Stunden lässt sich anhand der nachfolgenden Formel ermitteln, bei der angenommen wird, dass Hublänge und Hubzyklen konstant sind.
L_{10h} = \frac{L_{10}\times 10^{3}}{2 \times ℓ_s \times n_1 \times 60}
L10h = nominelle Lebensdauer (Std.)
L10 = nominelle Lebensdauer (km)
ℓs = Hublänge (m)
n1 = Hin- und Herbewegung pro Minute (cpm)
Auch bei Präzisionssystemen wie Linearkugellagern werden ähnliche Formeln für die Berechnung der Lebensdauer verwendet. Mehr über die Anwendung und Eigenschaften von Linearkugellagern erfahren Sie in unserem Blog über den Einsatz von Linearkugellagern und Linearlagern in Führungssystemen höchster Präzision.
Alternative Berechnungen der Lebensdauer
Wie bereits erläutert, kann die Lebensdauer von Profilschienenführungen in unterschiedlichen Einheiten wie Lastzyklen, Betriebsstunden, zurückgelegter Strecke oder Umdrehungen angegeben werden. Jede Betrachtungsweise hat ihren eigenen Anwendungsbereich, der durch die Art der Bewegung und die Anforderungen der Anwendung bestimmt wird.
Die Lebensdauer in Lastzyklen gibt an, wie oft eine Profilschienenführung unter einer definierten Belastung eine vollständige Lastwechselbewegung (z.B. einen Hin- und Rückhub) ausführen kann, bevor Verschleißgrenzen erreicht werden. Diese Angabe ist besonders präzise, da sie sich direkt auf die technische Tragzahl bezieht und die Vergleichbarkeit mit anderen Profilschienenführungen ermöglicht. Für Anwendungen mit variablen Hublängen oder unregelmäßigen Bewegungen ist jedoch die Umrechnung in andere Einheiten erforderlich, um die Lebensdauer anschaulicher darzustellen.
Die Lebensdauer in Umdrehungen ist vor allem bei rotierenden Systemen relevant. Die Berechnung ist relativ einfach, wenn Drehgeschwindigkeit und Belastung konstant sind. Für rein lineare Anwendungen oder komplexe Bewegungskombinationen ist diese Angabe wenig geeignet und erfordert Umrechnungen.
