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Uwe Motzkau, Manager Application Engineering, Projects & Design bei Schaeffler, und das XZU.
Foto: Johannes Braeutigam, Schaeffler
Uwe Motzkau, Manager Application Engineering, Projects & Design bei Schaeffler, und das XZU.

Macher

So bringt Schaeffler mehr Kippsteifigkeit in Cobot-Getriebe

Das Schrägnadellager XZU hat Schaeffler für Cobot-Getriebe konzipiert. Dort waren bisher Kreuzrollenlager verbaut und taten so weit auch ordentlich ihren Dienst. Warum also ein neues Lager entwickeln – was soll an ihm besser sein? Das haben wir Entwicklungsleiter Uwe Motzkau gefragt.

Die Aufgabe: Erzielt mehr Performance, ohne die Gesamtlebensdauer zu reduzieren! Das klang nach einem Auftrag für Uwe Motzkau. Denn an seinem Beruf reizt den studierten Maschinenbauer die Herausforderung, das Neue besser zu machen. Nach 25 Jahren im Maschinenbau wechselte er 2011 zu Schaeffler und ist dort Manager Application Engineering, Projects & Design. Wie es zu der herausfordernden Aufgabe kam, wie sie sie gelöst haben und was das XZU kann, das hat Motzkau uns erzählt.

Sie haben ein Schrägnadellager entwickelt – was hat Sie an dem „alten“ Kreuzrollenlager gestört?

Uwe Motzkau: Gestört würde ich nicht sagen. Das Kreuzrollenlager ist ein äußerst kompaktes und sehr kippsteifes Lager. Allerdings ist das Design völlig ausgereizt und eine weitere Steigerung der Kippsteifigkeit kaum zu erreichen.

Vermutlich lässt sich die Kippsteifigkeit nicht verbessern, ohne woanders Abstriche zu machen?

Uwe Motzkau: Mehr oder weniger. Ein Kreuzrollenlager hat in der Regel eine viel höhere Lebensdauer als das ein Getriebe, in dem es eingesetzt wird. Diese versteckte „Reserve“ haben wir genutzt und ein Lager mit höherer Kippsteifigkeit und besser angepasster Lebensdauer entwickelt.

Könnten Sie das in Zahlen ausdrücken?

Uwe Motzkau: Wenn wir davon ausgehen, dass die Verzahnung von Getrieben eine Lebensdauer von 100 Prozent hat, dann liegt die Lebensdauer eines Kreuzrollenlagers bei rund 500 Prozent, die des neuen zweireihigen Schrägnadellagers XZU bei 150 Prozent, also immer noch deutlich über der Lebensdauer von Getrieben. Die Kippsteifigkeit des XZU-Lagers haben wir dafür um rund 30 Prozent gesteigert.

30 Prozent ist ganz schön viel. Wie haben Sie es geschafft, die Kippsteifigkeit beim XZU so stark zu erhöhen?

Uwe Motzkau: Das hat mit der inneren Geometrie der beiden Wälzlager zu tun. Bei einem Kreuzrollenlager teilen sich die Zylinderrollen eine Laufbahn. Das heißt, die Rollen sind einmal nach links ausgerichtet, einmal nach rechts. So läuft die eine Hälfte der Wälzkörper in die eine, die andere Hälfte in die andere Richtung. Beim XZU arbeiten wir mit zwei Laufbahnen und daher mit viel mehr Wälzkörpern. Dadurch wurde die Lastverteilung besser und die Kippsteifigkeit höher.

Wie kamen Sie auf die Idee?

Uwe Motzkau: Nun ja, Schaeffler ist ja ein Wälzlagerhersteller mit jahrzehntelanger Erfahrung; und es war Dr.-Ing. E.h. Georg Schaeffler, der das käfiggeführte INA-Nadellager erfand … Wir sind systematisch und analytisch der Frage nachgegangen, welche Anordnung von Laufbahnen und Wälzkörpertypen im Bauraum des Kreuzrollenlagers überhaupt möglich und sinnvoll ist. Wir hatten zwei Dutzend mögliche Varianten und haben für jede Simulationen durchgeführt, um diejenige zu finden, die das optimale Verhältnis von Lebensdauer und Kippsteifigkeit bietet. So sind wir schließlich beim zweireihigen Schrägnadellager gelandet.

Sie haben das wirklich nur durchgerechnet und nicht mit physischen Prototypen getestet?

Uwe Motzkau: In unserem Simulationsprogramm Bearinx – das können übrigens auch unsere Kunden nutzen - können wir jede Lagergeometrie frei definieren und das Tool berechnet die Flächenpressung für jeden einzelnen Wälzkontakt im Lager, die Tragfähigkeit, die Kippsteifigkeit und die Lebensdauer, die unter den angegebenen Bedingungen mit dem gewünschten Schmierstoff von dem Lager erwartbar ist. Die besten Ergebnisse in unserem Vergleich brachte das zweireihige Schrägnadellager. Dazu kam die relativ einfache Montage im Vergleich zum Kreuzrollenlager.

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Was macht die Montage denn so einfach?

Uwe Motzkau: Beim Kreuzrollenlager muss jeder einzelne Wälzkörper, nämlich die Zylinderrolle, durch eine kleine Füllbohrung im Lagerring eingeführt und in Position gebracht werden. Aber beim XZU-Lager hingegen besteht aus zwei vormontierten Nadelkränzen, die mit dem Innen- und Außenring verpaart und montiert werden. Das ist wesentlich einfacher.

Bisher haben wir nur über die Vorteile des Lagers gesprochen. Aber sie mussten sicherlich Kompromisse eingehen. Welchen Punkt hätten Sie gerne ein bisschen besser gemacht?

Uwe Motzkau: Ich hätte es gerne im Querschnitt größer gebaut [lacht]. Wir wollten jedoch mit den am Markt üblichen Kreuzrollenlagern 1:1 austauschfähig sein, damit vorhandene Getriebe nicht geändert werden müssen. Also waren der Lagerquerschnitt und die Außenkontur des XZU durch das Kreuzrollenlager vorgegeben.

Die Abmessungen sind also Standard. Was ist mit dem Preis?

Uwe Motzkau: Das XZU-Lager wird als Kompletteinheit zusammen mit unseren Präzisionsgetrieben angeboten. Und das können wir nur dann erfolgreich, wenn auch das Lager ins Preisniveau passt.

Lohnt es sich für Anwender überhaupt umzurüsten?

Uwe Motzkau: Selbstverständlich. Immer dann, wenn eine besonders kippsteife Antriebslagerung und bei Cobots ein sehr kippsteifes Gelenk verlangt wird, gibt es zu unserem zweireihigen Schrägnadellager aktuell keine Alternative am Markt. Wir stellen hier den Benchmark.

Wie lange hat die Entwicklung denn gedauert?

Uwe Motzkau: Von der Idee, das Getriebelager zu verbessern bis zur Marktreife waren drei Jahre veranschlagt. Schon früh im Konzeptstadium wurde entschieden, dass die Getriebe nur mit einer deutlich verbesserten Hauptlagerung umgesetzt würden. Wir mussten also nicht nur die Präzisionswellgetriebe mit den zwei Baureihen RT1 und RT2 völlig neu entwickeln, sondern auch eine völlig neue Lösung für die Hauptlagerung kreieren.

Wann haben Sie denn den ersten Prototyp gebaut?

Uwe Motzkau: Das erste Präsentationsmodell hatten wir schon 2019 – aus Kunststoff und 3D-gedruckt. Bis zu einem Lager von der Erstbemusterung bis zum Serienstand ist es dann noch ein weiter Weg.

In welchen Baugrößen haben Sie das Lager denn im Portfolio?

Uwe Motzkau: Aktuell bieten wir die XZU-Lager in fünf Baugrößen von 14 bis 32 genau passend zu unseren Präzisionswellgetrieben RT1 und RT2 an. Die Lager haben wir aber für sieben Baugrößen von 11 bis 40 fertig entwickelt, um für eine Erweiterung der Getriebebaureihen gewappnet zu sein.

Zum Schluss noch eine Frage zur Namensgebung. Das XZU ist ein Nadelllager, aber wir sprachen zwischendurch von Rollen …

Uwe Motzkau: Die Unterscheidung zwischen einer Nadelrolle – so die korrekte Bezeichnung – und einer Rolle ist durch das Verhältnis aus Länge zu Durchmesser definiert. Bei einem Verhältnis kleiner drei handelt es sich um eine Rolle, bei einem Verhältnis größer drei um eine Nadelrolle. Das XZU ist insofern außergewöhnlich, weil die Wälzkörper mit einem Verhältnis von rund 1,7 eigentlich Rollen sind, aber besonders kleine Durchmesser von 1,5 bis 3 mm haben – also wie bei Nadeln üblich. Daher sprechen wir von Nadellager.

 

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