Analyse des Betriebsverhaltens von Kugelgewindetrieben unter statischen axialen Betriebslasten

Analyse des Betriebsverhaltens von Kugelgewindetrieben unter statischen axialen Betriebslasten von Eßer,  Bastian
Kugelgewindetriebe zählen zu den wichtigsten Hauptkomponenten mechanischer Vorschubantriebe in Werkzeugmaschinen und anderen Maschinen und Anlagen. Ein detailliertes Verständnis des Betriebsverhaltens ermöglicht ihre gezielte Weiterentwicklung sowie die Realisierung der Anforderungen im Rahmen der Industrie 4.0. Diese Forschungsarbeit liefert einen Beitrag zur Beschreibung des Betriebsverhaltens von Kugelgewindetrieben unter statischen axialen Betriebslasten.
Aktualisiert: 2022-08-02
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Multivariate Vorspannungsüberwachung von Kugelgewindetrieben auf Basis steuerungsinterner Informationen

Multivariate Vorspannungsüberwachung von Kugelgewindetrieben auf Basis steuerungsinterner Informationen von Denkena,  Berend, Schmidt,  Alexander
Im industriellen Umfeld ist die technische Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen, aufgrund verschleißbedingter Ausfälle der Vorschubachse, reduziert. Die häufigste ausfallende Komponente der Vorschubachse ist der vorgespannte Kugelgewindetrieb. Entsprechende Maßnahmen zur Erhöhung der technischen Verfügbarkeit sind zwingend erforderlich. Zustandsorientierte Instandhaltungsmaßnahmen weisen hierbei das höchste Potenzial zur Maximierung der technischen Verfügbarkeit auf. Voraussetzung zur Festlegung des notwendigen Instandhaltungszeitpunkts ist allerdings die Bestimmbarkeit des Vorspannungszustands des Kugelgewindetriebs. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit eine wirtschaftliche und robuste Zustandsüberwachungsmethode zur Bestimmung des Vorspannungszustands von Kugelgewindetrieben erfolgreich entwickelt und anschließend erforscht. Auf Basis der Zustandsüberwachungsmethode wurde erstmals gezeigt, dass mit vorhandenen steuerungsinternen Informationen der Vorspannungszustand bestimmbar ist.
Aktualisiert: 2022-02-11
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Multivariate Vorspannungsüberwachung von Kugelgewindetrieben auf Basis steuerungsinterner Informationen

Multivariate Vorspannungsüberwachung von Kugelgewindetrieben auf Basis steuerungsinterner Informationen von Denkena,  Berend, Schmidt,  Alexander
Im industriellen Umfeld ist die technische Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen, aufgrund verschleißbedingter Ausfälle der Vorschubachse, reduziert. Die häufigste ausfallende Komponente der Vorschubachse ist der vorgespannte Kugelgewindetrieb. Entsprechende Maßnahmen zur Erhöhung der technischen Verfügbarkeit sind zwingend erforderlich. Zustandsorientierte Instandhaltungsmaßnahmen weisen hierbei das höchste Potenzial zur Maximierung der technischen Verfügbarkeit auf. Voraussetzung zur Festlegung des notwendigen Instandhaltungszeitpunkts ist allerdings die Bestimmbarkeit des Vorspannungszustands des Kugelgewindetriebs. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit eine wirtschaftliche und robuste Zustandsüberwachungsmethode zur Bestimmung des Vorspannungszustands von Kugelgewindetrieben erfolgreich entwickelt und anschließend erforscht. Auf Basis der Zustandsüberwachungsmethode wurde erstmals gezeigt, dass mit vorhandenen steuerungsinternen Informationen der Vorspannungszustand bestimmbar ist.
Aktualisiert: 2022-02-11
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Maßnahmen zur Erhöhung der Lebens- und Nutzungsdauer von Kugelgewindetrieben unter Kurzhubbelastung in elektro-mechanischen Flugsteuerungsaktuatoren

Maßnahmen zur Erhöhung der Lebens- und Nutzungsdauer von Kugelgewindetrieben unter Kurzhubbelastung in elektro-mechanischen Flugsteuerungsaktuatoren von Kupfer,  Christoph
In dieser Arbeit werden drei Maßnahmen untersucht, die es ermöglichen können, Kugelgewindetriebe in Aktuatoren der Querrudersteuerung moderner Verkehrsflugzeuge einzusetzen. Diese Arbeit befasst sich mit Maßnahmen, die den Einsatz von Kugelgewindetrieben in elektro-mechanischen Aktuatoren der Flugsteuerung von Verkehrsflugzeugen ermöglichen. Dabei wird der Fokus auf die durch die Kurzhubbelastung entstehenden Herausforderungen gelegt, wodurch bei konventioneller Auslegung eine geringe Lebens- und Nutzungsdauer der Komponenten durch Abrasions- und Adhäsionsverschleiß resultiert. Als erste Maßnahme wird eine neue Methodik zur Berechnung der Lebensdauer von Kugelgewindetrieben auf Basis von Abrasion und Adhäsion vorgestellt. Im Rahmen experimenteller Lebensdauertests werden Kugelgewindetriebe untersucht, um die Annahme des abrasiven und adhäsiven Verschleißes unter Kurzhubanwendungen und eine generelle Anwendbarkeit der Methodik zu bestätigen. Die zweite Maßnahme untersucht verschiedene Gestaltungoptionen der Subkomponenten von Kugelgewindetrieben für einen verschleißarmen Einsatz und analysiert diese auf Aktuatorebene. Als dritte Maßnahme wird ein Zustandsprognosesystem zur Vorhersage der verbliebenen Nutzungszeit eines sich im Betrieb befindlichen Kugelgewindetriebes modellbasiert und experimentell bewertet.
Aktualisiert: 2021-03-29
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Steigerung der Ressourceneffizienz und Verfügbarkeit von Kugelgewindetrieben durch adaptive Schmierung

Steigerung der Ressourceneffizienz und Verfügbarkeit von Kugelgewindetrieben durch adaptive Schmierung von Spohrer,  Andreas
Kugelgewindetriebe sind in modernen Werkzeugmaschinen die am häufigsten eingesetzten Konstruktionselemente zur Bewegungswandlung rotatorisch wirkender Elektroantriebe in präzise Vorschubbewegungen. Gleichzeitig sind Kugelgewindetriebe aktuell als Hauptursache für unvorhergesehene Maschinenausfälle im industriellen Einsatz verantwortlich, wodurch die technische Verfügbarkeit und Produktivität von Werkzeugmaschinen signifikant reduziert wird. Während sich vergangene Forschungsarbeiten zur Steigerung der technischen Verfügbarkeit von Kugelgewindetrieben insbesondere mit der Entwicklung von Condition Monitoring Systemen zur Verschleißzustandserkennung beschäftigt haben, verfolgt die vor-liegende Dissertation das Ziel, mittels adaptiver Schmierung auftretenden Verschleiß aktiv zu reduzieren. Zu Beginn der Arbeit erfolgt eine Darstellung und Bewertung des aktuellen Stands von Forschung und Technik im Themenfeld. Basierend auf den hierbei identifizierten Defiziten wird dann das innovative adaptive Schmierverfahren konzipiert. Als erster Schritt erfolgt hierzu eine Analyse der Einflüsse auf den Schmierstoffbedarf von Kugelgewindetrieben. Basierend auf den vorherrschenden Wirkzusammenhängen von Axiallast, Drehzahl, Temperatur und Reibmoment erfolgt dann die Erarbeitung und Validierung eines für Kugelgewindetriebe geeigneten Reibungsmodells. Das Konzept der adaptiven Schmierung sieht vor, im Betrieb von Kugelgewindetrieben deren real vorliegenden Schmierzustand mit deren SOLL-Zustand zu vergleichen und hieraus bedarfsgerechte Entscheidungen zur Nachschmierung abzuleiten. Hierzu erfolgt die Entwicklung eines geeigneten Sensorsystems. Das entwickelte Schmierverfahren und das entstandene Sensorsystem zur adaptiven Schmierung von Kugelgewindetrieben werden abschließend in Laborversuchen validiert. Hierbei wird deren Fähigkeit zur Steigerung der Ressourceneffizienz und Verfügbarkeit gegenüber konventionellen Schmierverfahren nachgewiesen.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Auslegung von Kugelgewindetrieben bei oszillierenden Bewegungen und dynamischer Belastung

Auslegung von Kugelgewindetrieben bei oszillierenden Bewegungen und dynamischer Belastung von Münzing,  Thomas
Sizing of ball screws according to ISO-standard is strongly related to the sizing of roller bearings and focuses on their (until now) main usage in the feed axis of machine tools. Due to their high efficiency, the field of applications of ball screws extends into classical hydraulic piston applications. In combination with an electric motor and a gearbox the ball screws of these so called electromechanical actuators (EMAs) are faced with load and motion profiles, that are not yet considered by standard sizing approaches. In particular, these conditions are oscillating or intermitting motions instead of continuous strokes or revolutions, highly frequent applied loads at (nearly) standstill and extreme temperature ranges. A challenging application in this context is the primary flight control system of a helicopter, represented by the swash plate actuation system. A failure of this system is life threatening for the passengers. Therefore, a reliable sizing of the used ball screws is mandatory. The comparison of the required sizing tools with those delivered by given standards and available literature shows a lack concerning a rating life or modified rating life calculation, the general wear behaviour and the evaluation of special risks like the occurrence of False Brinelling. The longitudinal section of a ball screw shows the similarity of its internal geometry to a complete bearing represented by a set of angular contact ball bearings or four point contact ball bearings. For that reason, on the one hand approaches of bearing sizing focusing on oscillating motions or the wear behaviour along the raceway can easily be adopted. On the other hand, the inevitable necessary recirculation system and the helix geometry of the ball chain results in an internal load distribution that cannot be described by analytical approaches, yet. Also, the used materials can vary from common bearing steel. Based on bearing literature and standards the established sizing of ball screws can be modified into a new sizing approach. After checking criterions for minimum load, maximum load and the avoidance of wear (especially False Brinelling), a modified rating life calculation can be executed. Since real motion profiles are only seldom describable by a single sinusoidal signal, a more general approach is introduced considering an equivalent load and a stochastic positioning signal. Furthermore, a method is shown that enables a modified rating life calculation taking lubrication conditions into account. Finally, the special motion behaviour and load distribution within the ball screw is the starting point for advanced calculation approaches considering strokes, recirculation systems and single loads on balls. In contrast to established sizing approaches the last aspect requires load distribution information of a FEM simulation. For proving the derived approaches, tests focusing on endurance were performed to validate fatigue life. Furthermore, the wear behaviour of different recirculation systems and ball screw materials was investigated. Finally, False Brinelling tests varying the choice of material and lubricant were performed to prove the resistance of the ball screw at standstill. During endurance testing seven out of seven specimens reached the calculated number of oscillations. This means that the calculation approach is valid for 90 % of a large number of identical ball screws at the same loading, which is commonly known as L10-life. Wear tests performed with similar ball screws at very small oscillating motions showed that tube recirculations withstand longer severe wear conditions than internal recirculations realized by crossover inlays. Within the tests the impact of the recirculation design seems to be stronger than the raceway material which was represented by a highly wear resistant nitrogen bearing steel and a common bearing steel. False Brinelling tests showed that aeronautic standard grease is more capable to avoid standstill marks than a common „bad reference“ industrial grease. The usage of ceramic balls instead of steel balls can make a positive contribution as well. However, highly wear resistant nitrogen raceway-steel showed no benefits. Based on the new approaches and the validation tests a ball screw can be designed that fulfils the requirements of the primary flight control system of a helicopter.
Aktualisiert: 2023-01-24
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Adaptives Entwicklungstool zur intelligenten Konfigurierung von Condition-Monitoring-Algorithmen.

Adaptives Entwicklungstool zur intelligenten Konfigurierung von Condition-Monitoring-Algorithmen. von Laghmouchi,  Abdelhakim
Datenanalyse mittels intelligenter, adaptivbarer und robuster Auswertealgorithmen ist ein elementarer Bestandteil eines zuverlässigen Condition-Monitoring-Systems. Gegenwärtig ist die Entwicklung von diesen Auswertealgorithmen sehr zeitaufwendig und erfordert im Allgemeinen, je nach Anwendung, umfassende Kenntnisse aus verschiedenen Disziplinen. Ziel der Arbeit ist die Realisierung eines innovativen Tools zur Entwicklung von Auswertealgorithmen zwecks Einsatz in Condition-Monitoring-Systemen.
Aktualisiert: 2022-09-21
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Verfügbarkeitssicherung von Werkzeugmaschinenachsen mit Kugelgewindetrieb durch modellbasierte Verschleissüberwachung

Verfügbarkeitssicherung von Werkzeugmaschinenachsen mit Kugelgewindetrieb durch modellbasierte Verschleissüberwachung von Imiela,  Joachim
Ziel dieser Arbeit ist, die Verfügbarkeit von Maschinenachsen mit Kugelgewindetrieb durch modellbasierte Überwachung und Diagnose des Verschleißverhaltens zu verbessern. Als wesentliche verschleißabhängige Größen wurden das Reibverhalten und die nichtlineare, axiale Nachgiebigkeit der Kugelgewindemutter identifiziert. Zur Überwachung der Maschinenachse dienen das in den Gewindetrieb eingeleitete Drehmoment, welches auf Basis der Motorströme errechnet wird, die Winkelposition des Motors und die Position des Maschinentisches. Eine genaue Betrachtung der Motoreigenschaften inklusive der wesentlichen Nichtlinearitäten sind für die Identifi-kation der physikalischen Parameter des Kugelgewindetriebs im eingebauten Zu-stand notwendig. Durch Modellierung der differentiellen Nachgiebigkeit der Mutter in Abhängigkeit von ihrer Vorspannung erfolgte die Berücksichtigung dieser nichtlinea-ren Eigenschaft in dem Modell der Maschinenachse. Nach der Entwicklung von Me-thoden, welche die Parameteridentifikation der Maschinenachse im einge¬bauten Zu-stand ermöglichen, wird die Güte des Modells in einem Zustandsraumbeobachters gezeigt. Durch die Überwachung des Beobachtungsfehler des Zustandsraumbeobachters sind verschleißbedingte Änderungen in der Achse feststellbar. Auf Basis der Historie der Parameterveränderung erfolgt die Darlegung einer Methode zur Ermittlung der Resteinsatzzeit des Kugelgewindetriebs.
Aktualisiert: 2019-10-17
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Energieautarker sensorischer Kugelgewindetrieb

Energieautarker sensorischer Kugelgewindetrieb von Bertram,  Oliver, Denkena,  Berend
Die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen spielt im heutigen Wettbewerb eine wichtige Rolle zur Produktivitätssteigerung. Aus dem Stand der Technik geht hervor, dass der Kugelgewindetrieb eine der am häufigsten ausfallenden Einzelkomponenten von Vorschubachsen ist und Verschleiß einen wesentlich Grund für die reduzierte Verfügbarkeit darstellt. Weiterhin ermöglicht die Zustandsüberwachung, ungeplante Maschinenausfälle zu vermeiden und die Verfügbarkeit der eingesetzten Produktionsmittel zu steigern. Der Einsatz zusätzlicher Sensoren erlaubt dabei eine direkte Erfassung verschleißkorrelierender Messgrößen. Um hierfür den erforderlichen Integrationsaufwand zu reduzieren sowie die Robustheit, Zuverlässigkeit und Übersichtlichkeit im industriellen Umfeld zu steigern, bieten sich energieautarke Sensorsysteme an. In der vorliegenden Arbeit wird ein energieautarker sensorischer Kugelgewindetrieb entwickelt und erforscht, der die Vorspannung als verschleißkorrelierende Messgröße erfasst und somit den Verschleißzustand überwachen kann. Der Prototyp misst die Vorspannung mit Kraftsensoren auf Basis von Dehnmessstreifen. Eine mikrocontrollerbasierte Elektronik verarbeitet, digitalisiert und versendet die Messsignale drahtlos über das standardisierte ZigBee-Funkverfahren. Über ein hybrides System wird die Energieversorgung sichergestellt. Die elektrische Energie wird zum einen über einen Schrittmotor-Generator aus der Verfahrbewegung des Kugelgewindetriebs gewonnen. Zum anderen wird über berührungslose Energieübertragung ein Energiezwischenspeicher auf Basis von Superkondensatoren in stationärer Position wieder aufgeladen. Die Verifizierung des prototypischen Aufbaus erfolgt durch umfangreiche Messreihen und Analysen der sensorischen und energetischen Eigenschaften des Sensorsystems. Ferner werden die Funktionsweise des Kugelgewindetriebs sowie die Vorspannkraftsignale bei unterschiedlich eingestellten Vorspannungen untersucht. Dazu wird in Dauerversuchen verschleißbedingter Vorspannungsverlust festgestellt, was dazu führen kann, dass rechtzeitig Instandhaltungsarbeiten geplant werden können.
Aktualisiert: 2019-10-17
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