Auswahlfaktoren

Mechanik unter rauen Bedingungen

Genauso wie elektromechanische Aktuatoren und andere mechanische Antriebskomponenten sich immer besser für Anwendungen mit hohen Belastungen eignen, steigt ihre Fähigkeit, rauen Bedingungen zu trotzen. Extreme Temperaturen, hohe Partikelbelastung, Hochdruckreinigung, Vibrationen und Stöße, Strahlungen sowie elektromagnetische Störeinflüsse zählen heute zu den Gefahren für zuverlässige Antriebe. Diese Gefahren können Systementwickler bei der Auswahl der Steuerungskomponenten für derartige Anwendungen minimieren, indem sie die folgenden fünf konstruktiven Faktoren beachten, die zu einem robusten Betrieb beitragen: Materialauswahl, Beschichtungen, Dichtungsverfahren, Vibrations-/Stoßfestigkeit und Wartungsfreundlichkeit.

Elektromechanische Aktuatoren widerstehen auch schwierigen Bedingungen. © Thomson

Faktor 1: Materialauswahl
Die Auswahl der passenden Werkstoffe ist die erste Schutzmaßnahme gegen raue Umgebungsbedingungen. Die Materialforschung entwickelt sich ständig weiter und liefert neue Legierungen sowie hybride Werkstoffe, die extremen Temperaturen genauso widerstehen wie Chemikalien oder stark scheuernden Materialien, häufigen Nassreinigungen und sonstigen äußeren Einflüssen. Edelstahl, harteloxiertes Aluminium und widerstandsfähige Polymere zählen zu den gängigsten Werkstoffen zur Bewehrung von Antriebskomponenten. 

Extreme Temperaturen zählen zu den Gefahren für zuverlässige Antriebe. © Thomson

Eine ungünstige Materialauswahl führt zu vorzeitigem Versagen, kostspieligen Wartungs- und Reparaturarbeiten vor Ort sowie Einbußen bei der Produktivität. Maximale Robustheit entsteht dagegen, wenn alle Antriebskomponenten – vom Aktuatorgehäuse bis zum kleinsten Lager – im Hinblick auf die denkbar widrigsten Betriebsszenarios ausgewählt wurden.

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Faktor 2: Beschichtungen
Antriebskomponenten, die in korrosionsbelasteten Umgebungen eingesetzt werden – beispielsweise wenn Kohlenwasserstoffe, Harnsäure und Düngemittel einwirken – sollten ebenfalls mit hochwertigen Materialien beschichtet werden. Diese Vorsichtsmaßnahme verbessert die Betriebssicherheit und reduziert die Stillstandzeiten, insbesondere in Umgebungen, in denen korrosive Chemikalien, Salzsprühnebel oder ein Untertauchen des Gerätes einen erweiterten Schutz erforderlich machen. Die passende Kombination aus Beschichtung und Material kann die Lebensdauer einer Komponente um das 200-Fache verlängern.

Testen der chemischen Festigkeit
Die meist angewandte Norm für die Chemikalienbeständigkeit ist die ISO 15003. Sie gibt konstruktive Anforderungen und Empfehlungen für Hersteller elektrischer Komponenten vor, die in mobilen Maschinen der Landwirtschaft, Forstwirtschaft sowie des Garten- und Landschaftsbaus eingesetzt werden. Weiterhin enthält die Norm Prüfprotokolle für bestimmte Einsatzszenarios und definiert Schweregrade für extreme Umgebungsbedingungen, die in typischen Betriebssituationen auftreten können. Die Prüfung der chemischen Festigkeit schließt beispielsweise die Fähigkeit eines dreitägigen ununterbrochenen Betriebs bei folgenden chemischen Konzentrationen ein: Dieselkraftstoff – 100 Prozent, Hydrauliköl – 100 Prozent, Bremsflüssigkeit – 100 Prozent, Ethylenglykol – 50 Prozent wässrige Lösung, Harnstoffstickstoff – gesättigte Lösung NPK-Dünger*9 (7,5 Prozent je N, P, K) – gesättigte Lösung. Weitere Normen bezüglich der Korrosionsfestigkeit, insbesondere zu Diesel-Emissions-Fluiden (DEF), sind DIN 70070-05, AUS 32 und ISO 22241-1.

Aufgrund ihres sicheren und robusten Designs werden elektromechanische Aktuatoren häufig in mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt. © Thomson

Faktor 3: Dichtungsstrategien
Nach den Werkstoffen und Beschichtungen gilt das nächste Augenmerk der Dichtungsstrategie gegen raue Umgebungen. Ist eine Komponente nicht ausreichend abgedichtet, können Chemikalien und Partikel in die innere Mechanik gelangen, dort Beschädigungen, Ablagerungen sowie Verstopfungen verursachen und zudem einen fruchtbaren Boden für Bakterien und andere Keime bilden. Die Verwendung einer Antriebstechnologie ohne angemessene Abdichtung unter rauen Einsatzbedingungen resultiert zwangsläufig in höheren Kosten für Gehäuse und Wartung – und möglicherweise auch in kürzeren Wartungszyklen.

Daher sollte jede Komponente, einschließlich des Motoranbaus, abgedichtet sein. Abstreifer sowie Kolben- und Flachdichtungen müssen hierzu perfekt ineinandergreifen: Die Abstreifer halten Schmutzpartikel am Schubrohr zurück und verhindern eindringendes Wasser. Die Kolbendichtungen ergänzen die Abstreifer zu einem vollständigen Schutz. Flachdichtungen sorgen für dichte Verbindungen zwischen Gehäuseteilen, Abdeckrohren, Motoren und Anbaukomponenten.

Ein besonders zuverlässiges Indiz für ein wirksam abgedichtetes System ist dessen IP-Kennzeichnung. Diese IP-Schutzart (für Ingress Protection) ist eine weltweit geltende Norm, die angibt, inwieweit eine Komponente gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Flüssigkeiten gesichert ist. Damit kennzeichnet die IP-Schutzart den Schutzgrad eines Gehäuses gegen das Eindringen von Verunreinigungen, die der Funktion eines Geräts abträglich sein können.

Faktor 4:Vibrations- und Stoßfestigkeit
Werkstoffe, Beschichtungen und Dichtungen können durch Stöße und Vibrationen Schaden nehmen. Die Komponenten müssen robust genug sein, um den Extremen von Maschinen standzuhalten, die in rauen Umgebungen arbeiten. Häufig bedeutet dies, dass auf die Komponenten schwere Lasten oder starke Vibrationen einwirken – und das zuweilen ununterbrochen. Diese konstant wirkenden Dreh- und Bewegungskräfte können eine Komponente langfristig schwächen und schließlich zu deren Versagen führen. Durch Konstruktionsmaßnahmen, die hohe Vibrations- oder Stoßbelastungen berücksichtigen, können Hersteller auf nachträgliche Produktanpassungen verzichten.

Planetengetriebe bieten eine höhere Stoßbelastbarkeit als Parallelgetriebe. Zudem kann die Steifigkeit weiter erhöht werden, indem eine der Innenverzahnungen direkt in das abtriebsseitige Gehäuse gefräst wird. Die Nutzung eines einteiligen Gehäuses in Verbindung mit einem Zahnkranz verhindert somit die Gefahr eines durchrutschenden Zahnrads und bietet damit ein höheres Spitzendrehmoment.  Der Verzicht auf Buchsen bei Wälzkörpern kann ebenso zur Belastungsfestigkeit von Systemen beitragen wie einsatz- bzw. durchgehärtete Wellen. Genauso entscheidend für eine Stoßfestigkeit ist die optimale Abstimmung aller Bauteile.

Testen der Stoßfestigkeit
Die Konformität mit Industriestandards ist eines der besten Kriterien, um sicherzustellen, dass Sie wirklich die erforderliche Stoßfestigkeit erhalten. Die drei gängigsten auf Antriebskomponenten angewandten Normen sind MIL- S -901, EN60068-2-27 und EN60068-2-32.

Testen der Vibrationsfestigkeit
Um sicherzustellen, dass erwartbare Vibrationsprofile keinen Schaden am Produkt bewirken, werden Prüfprotokolle (in der Regel OEM-spezifisch) an mehreren Komponenten auf verschiedenen Ebenen durchgeführt. Dazu zählen Protokolle zur Prüfung von Gehäusen, Verschraubungen und enthaltenen Leiterplatten/Sensoren. Die Tests erfolgen bei abgeschalteter Einheit, die auf einer Vibrationsplatte montiert ist. Das zu prüfende Gerät wird auf die halbe maximale Ausfahrlänge gebracht und jeweils 24 Stunden lang auf drei rechtwinklig zueinanderstehenden Achsen getestet.

Faktor 5: Wartungsfreundlichkeit
Raue Umgebungen stellen für Menschen vielfältige Sicherheitsrisiken dar: von extremen Temperaturen, giftigen/aggressiven Chemikalien oder Gefahren durch Einatmung – bis im Extremfall zur radioaktiven Strahlung. Abgesehen von Produktionsausfällen und Stillstandzeiten birgt jede Wartungsarbeit ein Verletzungs- oder Krankheitsrisiko – insbesondere bei häufiger Durchführung. Komponenten, die mit wenig oder ganz ohne Wartung auskommen, erhöhen somit die Sicherheit der Mitarbeiter, minimieren die Gefahr von Arbeitsunfällen und reduzieren die Kosten.

Einer der zentralen Wartungsfaktoren linearer Antriebskomponenten ist die Schmierung. Sanfte, zuverlässige Bewegungen kennzeichnen ein optimal konstruiertes System. Voraussetzung dafür ist unter anderem eine korrekte Schmierung der beweglichen Teile. Produkte, bei denen Öl zur Schmierung eingesetzt wird, erfordern eine regelmäßige Wartung und sind anfällig gegen Undichtigkeiten. Demgegenüber können mit Fett vorgeschmierte oder selbstschmierende Komponenten den Wartungsaufwand erheblich reduzieren oder sogar beseitigen.

Thomson-Lösungen für raue Einsatzumgebungen
Antriebskomponenten-Hersteller Thomson bietet ein Sortiment an Produkten, die speziell für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen konzipiert wurden. Die elektrischen Schwerlast-Linearaktuatoren des Typs Max Jac sind beispielsweise aus Edelstahl, harteloxiertem Aluminium oder hochgradig widerstandsfähigem Polymer gefertigt. Alle Dichtungen bestehen aus Werkstoffen, die unempfindlich gegen organische und anorganische Chemikalien sowie stark scheuernde Materialien sind. Sie sind für den Betrieb in einem breiten Temperaturbereich von minus 40 bis plus 85 Grad Celsius ausgelegt. Darüber hinaus verfügen sie über die Schutzart IP66/IP69K.

Ein weiteres Mitglied der Produktreihe elektromechanischer Linearaktuatoren von Thomson ist der Electrak HD. Seine Werkstoffe wie Edelstahl, elektrobeschichtetes Zink und eloxiertes Aluminium bieten Schutz in rauen Einsatzumgebungen. Darüber hinaus hat der Electrak HD eine neuartige Dichtungstechnologie mit dem zusätzlichen Vorteil der dynamischen Schutzart IP66, sodass nichts an die eingebauten Komponenten gelangt. Die eingebauten Komponenten selbst sind gegen Herunterfallen, Stöße und Störeinstrahlungen aus anderen Stromquellen geschützt. 

Die robuste Beschichtung der Aktuatoren schützt wirksam die eingebauten Komponenten. © Thomson

Ebenfalls für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen geeignet ist die Thomson PC-Serie der Präzisions-Linearaktuatoren. Diese Aktuatoren erfüllen einschließlich Motoranbau die Schutzart IP65, während die Bauteile aus Edelstahl gefertigt werden. Dieses Modell ist nachweislich stärker, schneller und mit bis zu vierfach größerem Hub im Vergleich zu anderen Aktuatoren auf dem Markt ausgestattet.

Bei Thomson Movopart handelt es sich um ein riemengetriebenes, prismengeführtes Linearsystem mit optionaler Ausstattung für Nassanwendungen. Seine aus speziellem Polymer gefertigten Prismenführungen laufen direkt auf dem Strangpressprofil. Diese besonderen Lager sind prädestiniert für Anwendungen, die Stoßbelastungen unterliegen, geräuscharm arbeiten sollen oder Nassanwendungen mit Strahlwasser oder ätzenden Substanzen ausgesetzt sind.

Das Thomson WH ist ein Linearsystem mit Riemenantrieb und Rollenführung für das, genau wie beim Movopart, eine optional strahlwassergeschützte Konfiguration erhältlich ist. Sämtliche Gehäuse- und Führungselemente sind aus Edelstahl gefertigt, während die Aluminiumteile nacheloxiert werden.

Die Kugelgewindetriebe von Thomson eignen sich für einen Temperaturbereich von minus 40 bis plus 110 Grad Celsius. Für den Einsatz unter Extrembedingungen bietet Thomson auf Anfrage Sonderausstattungen in Form zusätzlicher, speziell konzipierter Abstreifer an den Kugelgewindemuttern. Sie verhindern das Eindringen unterschiedlicher Arten von Fremdkörpern.

Thomson Aquatrue Getriebe verfügen über die Schutzarten IP66, IP67 und IP69K, sind vollständig aus Edelstahl gefertigt, kommen ganz ohne außenliegende Nähte aus und vertragen Hochdruck-Strahlwasser aus allen Richtungen. Diese Eigenschaften können einem Kunden mittlerer Größe mehr als 50.000 Euro pro Jahr einsparen, indem zusätzliche Kosten für Komponenten wie Gehäuse, Bewehrung oder Gestänge zur mechanischen Kraftübertragung entfallen.

Darüber hinaus bietet Thomson webbasierte Auslegungs- und Auswahltools, mit denen sich die Wahl der geeigneten Komponenten-Werkstoffe für Last, Geschwindigkeit, Lebensdauer usw. deutlich einfacher gestaltet. Dasselbe gilt für bestimmte Umgebungsanforderungen wie Wasser-/Chemikalien-Sprühnebel/Schleier, geringes bis starkes Staubpartikel-Aufkommen, Hochdruck-/Hochtemperatur-Strahlwasser sowie Wasser-/Chemikalien-Spritzer oder Reinraum-Bedingungen. Das Programm empfiehlt daraufhin Ausstattungsmerkmale der Lineareinheit – wie verchromte Flächen, Edelstahl-Bauteile oder Polymer-Gleitlager – um den Umgebungsbedingungen Rechnung zu tragen. as

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