INA-Tandemlager in Doppel-schnecken-Extrudergetrieben

Ernst Bezenka

INA-Sonderdruck aus „antriebstechnik“Heft Nr. 10, Oktober 2000Vereinigte Fachverlage, Mainz

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INA-Tandemlager in Doppelschnecken-ExtrudergetriebenErnst Bezenka

Moderne Doppelschnecken-Extrudergetriebe mit hoherLeistungsdichte, wie sie vor allemzur Verarbeitung thermoplastischerKunststoffe eingesetzt werden,verlangen ein Höchstmaß anZuverlässigkeit der Maschinen-elemente.Ein solches Maschinenelement istseit Jahrzehnten unter rauestenBedingungen im Einsatz: Das INA-Tandemlager (Bild 1). Es hat sich inall den Jahren bei stetig steigendenAnforderungen u.a. auch in Tief-bohrgeräten und Reibschweiß-maschinen bewährt. Immer dann,wenn ein geringer radialer Bau-raum, hohe Axialkräfte und einelange Gebrauchsdauer gefordertwerden, sind diese Tandemlagereine interessante Lösungs-möglichkeit.

1. EinleitungINA-Tandemlager werden vorwiegenddort eingesetzt, wo hohe Axialkräfte beibegrenztem radialen Einbauraum sicheraufgenommen werden müssen. Ein typisches Einsatzgebiet der INA-Tandemlager sind die Verteilergetriebe in Doppelschneckenextrudern (Bild 2). Der Leistungsbereich der Doppel-schnecken-Extrudergetriebe bewegt sichzwischen ca. 2 kW und mittlerweile 16 MW. Dementsprechend groß ist auchdie Spanne der auftretenden Schnecken-rückdruckkräfte, die von 2,5 kN bis 3400 kN reichen.

Bedingt durch den kleinen Achsabstandder beiden hochbelasteten Schnecken-wellen, wird häufig ein Tandemlager inKombination mit einem, dem Tandem-lager entsprechend tragfähigen Axial-Zylinderrollenlager der Baureihe 894..eingesetzt (Bild 2). Aber auch die Kombi-nation zweier gleicher (Bild 3) oder zweierunterschiedlicher Tandemlager – bei INAin einem Außendurchmesserbereich von31,5 bis 900 mm erhältlich – sind je nachvorhandenem Einbauraum und Getriebe-konzept möglich.

Bild 1 INA-Tandemlager T3AR..

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2. AufbauINA-Tandemlager bestehen aus mehre-ren überwiegend serienmäßig hinter-einander angeordneten Axial-Zylinder-rollenkränzen. So können zwei, drei odervier Axial-Zylinderollenkränze hinter-einander angeordnet (parallel geschaltet)werden. Dementsprechend die Bezeich-nungen T2AR.., T3AR.. oder T4AR.. Des Weiteren sind auch sechs- und acht-reihige Tandemlager (T6AR../T8AR..)erhältlich, die aus zwei dreireihigen bzw.aus zwei vierreihigen Tandemlagernbestehen. Durch ein federndes System aufeinanderspeziell abgestimmter Ringe undScheiben, die aus gehärtetem Wälzlager-stahl bestehen, werden unabhängig vonder Höhe der axialen Belastung alleStufen stets gleichmäßig belastet. Im Gegensatz hierzu zeigte sich beieinem von INA durchgeführten Bench-marking, dass ein vergleichbares Wett-bewerbsprodukt nur für einen bestimm-ten Betriebspunkt ausgelegt wurde. Von diesem Betriebspunkt abweichendeAxiallasten werden somit nicht gleich-mäßig über alle Stufen übertragen.

3. FunktionUm zu erreichen, dass alle Stufen unab-hängig vom Belastungsverhältnis C/P dieanteilig gleiche aus der Extruderschneckekommende Axialkraft aufnehmen, werdendie Wellenringe (WR) und Gehäuseringe(GR) entsprechend ihrer Belastung soausgeführt, dass für jede Stufe der gleicheEinfederweg erreicht wird. Der optimaleKraftfluss im Lager wird somit durch dieGeometrie der oben genannten Ringeentscheidend mitbestimmt (Bild 4).Durch die Formgebung der Wellen-scheiben (WS) und Gehäusescheiben(GS) wird in erster Linie die Breitenlast-verteilung an den Zylinderrollen beein-flusst. So wird die Geometrie der Wellen-und Gehäusescheiben so ausgeführt,dass beide Bauteile die gleichepolsymmetrische Verformung erfahren.

Obwohl die Scheiben unter Last einerelastischen Verformung unterliegen,bleiben dennoch die beiden Laufbahnenannähernd parallel zueinander (Bild 5). Ein Verkippen oder ein Kantenlauf derWälzkörper und eine damit verbundeneLebensdauerreduzierung ist somit aus-geschlossen. Bei den sechsreihigen Tandemlagern, die aus zwei dreireihigen Tandemlagernbestehen, sowie bei den achtreihigenTandemlagern, die aus zwei vierreihigenTandemlagern bestehen, muss außer dero.g. gleichmäßigen Einfederung jederStufe, auch die Lastverteilung zwischenden beiden dreireihigen bzw. den beidenvierreihigen Tandemlagern entsprechendihrer Tragfähigkeit aufgeteilt werden.Dieses wird durch das Abstimmen derWellenhülse (WH) und der Gehäusehülse(GH) erreicht (Bild 4 b).

Bild 2 Verteilergetriebe eines Doppelschneckenextruders mit Axial-Lagerkombination aus Tandemlager und Axial-Zylinderrollenlager

Bild 3 Verteilergetriebe eines Doppelschneckenextruders mit Axial-Lagerkombination aus zwei gleichen Tandemlagern

Bild 4 Aufbau und Kraftfluss eines dreireihigen (a) und sechsreihigen Tandemlagers (b)

1/3 1/3

2/3 1/3

WS 0 WS 1 WS 2 WR 1 WR 2 WR 0

GR 1 GR2GS 1 GS 2 GS 0 Gehäusea

WR 1 WR 2 WR 0 WS WR 1 WR 2 WR 0

WH GR 1 GR 2 GR 1 GR 2 GHGS 1 GS 2 GS 0 GS GS 1 GS 2 GS 0

WS 0 WS 1 WS 2 WS 0 WS 1 WS 2b

4. LagerauswahlZur Auswahl eines geeigneten Tandem-lagers, sind in der Regel drei Angabenerforderlich:– der maximal mögliche Lageraußen-

durchmesser – die gewünschte rechnerische nominelle

Lebensdauer bei Betriebslast undBetriebsdrehzahl

– der maximale Schneckendruck.Der maximal mögliche Lageraußen-durchmesser ergibt sich daraus, dass bei Doppelschneckenextrudern zweiSchnecken ineinander greifen. Dabeischließt der Kopfdurchmesser einerSchnecke an den Kerndurchmesser deranderen Schnecke an. Der darausresultierende enge Achsabstand (Bild 2)und das Vorbeiführen der zweitenAbtriebswelle am Tandemlager, ermög-lichen nur einen begrenzten radialenEinbauraum. Die Länge eines Tandem-lagers spielt bei der Auswahl in denmeisten Fällen keine Rolle.

Die INA-Tandemlager sind für diesenbegrenzten Einbauraum in einem Außen-durchmesserbereich von 31,5 mm bis900 mm erhältlich. Die geforderte rechnerische nominelleLebensdauer bei Betriebslast und -drehzahl liegt bei Extrudergetrieben im Allgemeinen zwischen 20 000 und 40 000 Stunden. Nur bei kleinerenGetrieben, wie bei Extrudergetrieben für Laboreinsätze, können Lebensdauer-werte von 5000 Stunden schon aus-reichend sein.Ein weiteres Kriterium zur Lagerauswahlist der maximal auftretende Schnecken-druck. Aufgrund der Verformung derBauteile und der daraus entstehendenSpannungen, darf eine maximal zulässigeAxiallast Fa max nicht überschrittenwerden. Der Wert Fa max, die dynamischeTragzahl C sowie die statische TragzahlCo sind in der Regel der Angebots- undLieferzeichnung des jeweiligen Tandem-lagers zu entnehmen. Der Wert Fa maxbezieht sich auf die zulässigeBeanspruchung der Bauteile (Ringe,Scheiben usw.). Es sollte daher immerder maximal auftretende Schneckendruckbekannt sein.Die dynamische und statische Tragzahlhingegen beziehen sich auf dengesamten Wälzkörpersatz, wobei diestatische Tragzahl Co für die Auswahleines Tandemlagers nicht relevant ist, da der Wert Fa max immer geringer ist als Co. Zur genaueren Erfassung aller für eine optimale Lagerempfehlungrelevanten Daten stellt INA demGetriebehersteller einen Fragebogen für Tandemlager (Kurzzeichen TAR) zurVerfügung.

5. EinbauTandemlager werden mit einer losenPassung F7 für das Gehäuse und F6 fürdie Tandemlagerwelle eingebaut. Einloser Sitz ist notwendig, um ein axialesVerschieben (Einfedern) der Scheiben,Ringe und Hülsen unter Last zu ermög-lichen. Die Anlageflächen der Anschluss-konstruktion (Gehäuse und Welle) solltenin der Rechtwinkeligkeitstoleranz nachDIN ISO 1101 und in den Qualitäten IT4bis IT7 (je nach Durchmesserbereich)ausgeführt werden.Des Weiteren ist bei der Anschluss-konstruktion zu beachten, dass die aufder Angebots- und Lieferzeichnungangegebenen Kontaktdurchmessereingehalten werden. Der angegebeneKontaktdurchmesser (Abstützungs-durchmesser) für den Wellenbund darfnicht unterschritten, der des Gehäusesnicht überschritten werden. Eine un-genügende Abstützung verursacht nichtnur eine ungleichmäßige Lastverteilung,sondern auch eine erhöhte Scheiben-verformung (Scheiben GS 0 und WS 0),die wiederum eine Erhöhung der Bauteil-beanspruchung zur Folge hat.Da es sich bei den Tandemlagern umreine Axiallager handelt, die keine Radial-kräfte aufnehmen können, empfiehlt essich, die Wellen radial ausreichend, z.B.mit Nadellagern, zu unterstützen (Bild 2).Dadurch kann ein eventuelles Ausschla-gen der Welle mit den damit verbunde-nen Reibungsverlusten – insbesonderebei durchgehenden Wellen, wo sich Ritzelund Tandemlager auf einer gemeinsamenWelle befinden und nicht z.B. durch eineZahnkupplung getrennt sind – reduziertwerden.

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Bild 5 Laufbahnannäherung von Wellen- undGehäusescheibe unter Belastung

Bild 6 Federkennlinie eines sechsreihigenTandemlagers

F3

F1

F2

δ2

δ1

6. MindestbelastungDie Mindestbelastung oder Vorspannungfür Tandemlager ist ein Prozent derdynamischen Tragzahl C. Die Frage nachder Mindestbelastung, muss aus zweiGesichtspunkten heraus betrachtetwerden: Zum einen in Bezug auf dieKinematik des Lagers und zum anderenin Bezug auf das Einfederungsverhalten.

6.1 Kinematik Axiallager sollten nie ohne eine bestimmteMindestlast laufen, damit bei Beschleuni-gungs- und VerzögerungsvorgängenSchlupf der Wälzkörper und die damitverbundenen Oberflächenschädigungvermieden wird. Die Mindestbelastung Fa min für Axial-Zylinderrollenlager kannnach den Formeln im INA-Katalog [1]berechnet werden.

6.2 EinfederungsverhaltenGrößere Einfederungsdifferenzen könnenzum Berühren der Schneckenflanken undzum vorzeitigen Schneckenverschleißführen. Bei Tandemlagern verläuft dieFederkennlinie bei geringer Belastungrelativ flach und geht erst bei einembestimmten Belastungsverhältnis C/P in den linearen Teil der Federkennlinieüber (Bild 6). Das liegt daran, dassTandemlager aufgrund von Bauteil-toleranzen grundsätzlich „weicher“ sindals einreihige Axial-Zylinderrollenlager, die sich mit ihrer Kennlinie stets imlinearen Bereich befinden.Um nun den Einfederungsweg exakterfassen zu können und befriedigendeBetriebsbedingungen zu erreichen,sollten daher Tandemlager im linearenBereich ihrer Kennlinie betrieben werden,d.h. ausreichend vorgespannt werden.Die Vorspannung kann, je nach ihrerGröße, auf unterschiedliche Weise auf-gebracht werden. Für kleinere bis mittlere

Vorspannkräfte eignen sich im allgemei-nen Schrauben-Druckfedern (Bild 7). Bei großen Tandemlagern können dieerforderlichen Vorspannkräfte mitSchrauben-Druckfedern meistens nichtmehr aufgebracht werden. Hier kommenvorzugsweise Tellerfedern zum Einsatz(Bild 8).

7. LebensdauerDie Lebensdauer der Tandemlager wirdwie jedes Axial-Zylinderrollenlager nachden im INA-Katalog [1] enthaltenenFormeln berechnet. Bei Bedarf kann auch die erweiterte modifizierte nominelleLebensdauer Lnaa berechnet werden. Die hierfür benötigte Öltemperatur sollteam Ölablauf abgenommen werden, dasich der Schmierstoff beim Durchströmender Lager erfahrungsgemäß um etwa 5 °C bis 15 °C gegenüber der Zulauf-temperatur erwärmt.

8. Schmierung und KühlungTandemlager sollen grundsätzlich mitÖlumlaufschmierung betrieben werden.Das Öl wird immer von hinten zugeführt,d.h. der Schmierstoff durchströmt dasLager entgegen der Axialkraft. Das Ge-triebegehäuse am Tandemlagerende darfdabei nicht offen sein, damit gewähr-leistet ist, dass die erforderliche Ölmengedem Lager auch tatsächlich zur Ver-fügung steht (Bilder 7 und 8). Obwohl diedrehenden Axial-Zylinderrollenkränzedem Öldurchfluss förderlich sind, muss –um im Lager einen ausreichenden Öl-austausch zu erreichen – zusätzlich eineFörderpumpe eingesetzt werden.Die erforderliche Ölmenge wird nach denFormeln im INA-Katalog [1] berechnet.Wobei bei der Berechnung des drehzahl-abhängigen Reibmomentes, verursachtdurch die Flüssigkeitsreibung, die Anzahlder Stufen zu berücksichtigen ist.

9. ZusammenfassungDas INA-Tandemlager bietet überall dorteine optimale Lösung, wo Anforderungengestellt werden wie– geringer radialer Einbauraum– die Aufnahme hoher Axialkräfte– hohe Drehzahlen– lange GebrauchsdauerAufgrund der hohen Betriebssicherheit istdieses zuverlässige Maschinenelementaus modernen Extrudergetrieben nichtmehr weg zu denken.

Literaturhinweis:[1] INA-Katalog 307[2] INA-Druckschrift TAL[3] INA-Druckschrift PGM

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Autorenhinweis:Ernst Bezenka ist Maschinenbautechnikerin der Anwendungstechnik Antriebe fürden Maschinenbau, Bau- und Kunststoff-maschinen bei der Firma INA WälzlagerSchaeffler oHG in Herzogenaurach

Bild 7 Vorspannung eines Tandemlagers mit Schrauben-Druckfedern Bild 8 Vorspannung eines Tandemlagers mit Tellerfedern

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INA Wälzlager Schaeffler oHG

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