Produktlösung für das Festfressen von Schrittmotorlagern, das durch unterschiedliche Materialien bei hohen und niedrigen Temperaturen verursacht wird

– Bei hohen Temperaturen von 95 °C und niedrigen Temperaturen von -60 °C wurde eine Simulationsanalyse an Schrittmotoren aus unterschiedlichen Materialien durchgeführt. Die Simulationsergebnisse deckten die Hauptursache für das festsitzende Lager in Schrittmotoren wegen der Materialunterschieden bei extremen Temperaturen auf. Es wurden Verbesserungsmaßnahmen vorgeschlagen und ihre Durchführbarkeit durch Experimente überprüft.

a) Herausforderungen

Schrittmotoren sind Stellglieder, die elektrische Impulssignale in Winkelverschiebung umwandeln. Sie verfügen über ein einfaches und praktisches System mit geringen Kosten, wodurch sie in Open-Loop-Positionierungssystemen eingesetzt werden, die höhere Auflösung erfordern. Mit dem Fortschritt der modernen Wissenschaft und Technologie steigen die Anforderungen an Schrittmotoren, die hohe Zuverlässigkeit, geringen Energieverbrauch und leichtgewichtige Designs haben müssen. Um die Anforderungen an leicht Gewicht zu erfüllen, werden Gehäuse und Endkappen von Schrittmotoren häufig aus leichten Materialien wie harten Aluminiumlegierungen anstelle von Baustahl hergestellt, wobei die strukturellen Festigkeitsanforderungen weiterhin erfüllt werden, um das Gesamtgewicht des Motors zu reduzieren.

b) Lösung (Wie QIBR das Problem löst)

QIBR-Techniker führten mithilfe der Finite-Elemente-Analyse-Software ANSYS Workbench Simulationsanalysen an Schrittmotoren mit Gehäusen und Endkappen aus verschiedenen Materialien bei hohen Temperaturen von 95 °C und niedrigen Temperaturen von -60 °C durch. Sie analysierten die Hauptgründe für das Verklemmen von Schrägkugellagern in Schrittmotoren, die durch Materialunterschiede unter diesen Temperaturbedingungen verursacht wurden, und schlugen Verbesserungsmaßnahmen vor.

c) Ergebnis

• Die Finite-Elemente-Simulationsanalyse wurde an Schrittmotoren mit Gehäusen und Endkappen aus harter Aluminiumlegierung und Baustahl bei hohen Temperaturen von 95 °C und niedrigen Temperaturen von -60 °C durchgeführt. Die Konturkarten der axialen und radialen Verschiebung an der Position des Statorlagers sind in den Abbildungen 2 bis 5 dargestellt.

Abbildung 1: Diagramm der Verschiebung des Lagerstopps, wenn der Abschlussdeckel des Gehäuses aus Baustahl bei 295 °C besteht

Abbildung 2: Diagramm der Verschiebung des Lagerstopps, wenn der Abschlussdeckel des Gehäuses aus Baustahl bei 395 °C besteht

Abbildung 3: Diagramm der Verschiebung des Lagerstopps, wenn der Abschlussdeckel des Gehäuses aus einer Aluminiumlegierung bei 60 °C besteht

Abbildung 4: Diagramm der Verschiebung des Lagerstopps, wenn der Abschlussdeckel des Gehäuses aus Baustahl bei 60 °C besteht

Bei hohen Temperaturen von 95 °C und niedrigen Temperaturen von -60 °C, wenn das Gehäuse und die Endkappen aus harter Aluminiumlegierung und Baustahl bestehen, sind die maximale axiale Verschiebung und die maximale radiale Verschiebung an der Statorlagerposition in Tabelle 1 aufgeführt.

Bei hohen und niedrigen Temperaturen führt die Verwendung unterschiedlicher Materialien für das Gehäuse und die Endkappen (hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten – harte Aluminiumlegierung hat den Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2,3×10^-5 K^-1, während Baustahl den Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,2×10^-5 K^-1 hat) zu Unterschieden bei den axialen und radialen Verschiebungen an der Lagerposition. Bei hohen Temperaturen (95 °C) betragen die Verschiebungsunterschiede δ an der Lagerposition 0,014 mm für die axiale Verschiebung und 0,0069 mm für die radiale Verschiebung. Bei niedrigen Temperaturen (-60 °C) betragen die Verschiebungsunterschiede δ 0,016 mm für die axiale Verschiebung und 0,0078 mm für die radiale Verschiebung.

Wenn das Gehäuse und die Endkappen unter diesen Temperaturbedingungen aus harter Aluminiumlegierung bestehen, wirken sich die Unterschiede in der axialen und radialen Verschiebung an der Lagerposition direkt auf den Außendurchmesser der Lager an beiden Enden aus, wodurch das axiale und radiale Spiel der Lager verringert wird und letztendlich Probleme mit dem Blockieren der Lager verursacht werden. Um dieses Problem zu beheben, wird in dem Artikel vorgeschlagen, die Lagerluft zwischen der Statorlagerposition und den Lagern sowie die axiale Lagerluft zwischen dem Stator und dem Rotor des Schrittmotors um 0,008 mm bzw. 0,017 mm zu erhöhen, um die durch Materialschwankungen verursachten Verschiebungsunterschiede auszugleichen und ein Verklemmen der Lager zu verhindern.

Das QIBR-Ingenieurteam half den Kunden dabei, einen defekten Motor auszubauen, Stator und Rotor mit Benzin zu reinigen und dann die Innenbohrung der Statorlagerposition um 0,008 mm zu bearbeiten. Außerdem bearbeiteten sie die Stirnflächen der Lagerpositionen an beiden Enden der Welle um 0,017 mm. Nach dem erneuten Zusammenbau von Stator und Rotor führten sie mit Hilfe von Versuchsanlagen elektrische Tests bei Temperaturen von 95 °C und -60 °C durch. Die Tests zeigten, dass sich die Wellen frei und reibungslos drehten, ohne dass es zu Blockierungen kam.

• Geringerer Energieverbrauch und niedrigere Ausfallraten: Das hervorragende Design und der Herstellungsprozess von präzisen Schrägkugellagern reduzieren den Energieverbrauch und erhöhen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Lager. Dies trägt dazu bei, den Energieverbrauch von CNC-Maschinen zu senken und Ausfallzeiten und Wartungskosten aufgrund von Lagerausfällen zu reduzieren.
• Das Problem des Festfressens von Lagern in Schrittmotoren, das durch Materialunterschiede bei hohen und niedrigen Temperaturen verursacht wird, wurde durch Verbesserungsmaßnahmen behoben. Konkret wurde die Lagerluft zwischen dem Statorlagerblock und dem Lager um 0,008 mm und die axiale Lagerluft zwischen dem Stator und dem Rotor des Schrittmotors um 0,017 mm erhöht. Diese Anpassungen wurden vorgenommen, um den durch die unterschiedlichen Materialien verursachten axialen und radialen Verschiebungsunterschieden entgegenzuwirken.
• Es wurde festgestellt, dass die Hauptursache für das Festfressen von Lagern in Schrittmotoren bei hohen und niedrigen Temperaturen aufgrund von Materialunterschieden wie folgt ist: Die Verwendung unterschiedlicher Materialien für das Gehäuse und die Endkappe (hauptsächlich aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten) führt zu axialen und radialen Verschiebungsunterschieden im Lagerblock. Diese Verschiebungsdifferenz, δ, wirkt sich direkt auf den Außendurchmesser der Lager an beiden Enden aus, wodurch die axiale und radiale Lagerluft der Lager verringert oder sogar beseitigt wird, was letztendlich zum Festfressen der Lager führt.

Referenzen des Kunden

QIBR hat uns eine spezielle Lösung bereitgestellt, indem es Präzisions-Schrägkugellager als Ersatz für Standardkugellager empfohlen hat. Das Unternehmen hat professionelle Beratung und Optimierungsstrategien angeboten, um das Problem der geringen Produktpräzision in unseren Anlagen während des Betriebs zu beheben. Diese Vorschläge und Verbesserungen halfen uns nicht nur, die Produktqualität und -leistung zu verbessern, sondern brachten auch eine Reihe bedeutender Vorteile mit sich: Steigerung des Produktionswerts, Kostensenkung, Minimierung von Ausfallzeiten, Verbesserung der Produktqualität und Optimierung der Betriebsabläufe. Durch unsere Zusammenarbeit mit QIBR haben wir nicht nur die aktuellen Herausforderungen und Probleme gelöst, sondern auch eine solide Grundlage für die zukünftige Entwicklung geschaffen und ein nachhaltiges Geschäftswachstum und eine nachhaltige Entwicklung erreicht.