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Ausgewählte Ausgabe: 10-2015 Ansicht: Modernes Layout
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Wenn die Achse zu schwer wird

Es ist immer wieder erstaunlich, wie sich durch Nutzung einfacher technischer Prinzipien höchst elegante Lösungen realisieren lassen. Ein Beispiel ist das Prinzip des Gewichtsausgleichs, das das Heben tonnenschwerer Lasten mit äußerst geringem Kraftaufwand ermöglicht. Welche Vorteile ein hydraulischer Gewichtsausgleich in Werkzeugmaschinen bietet schildert der Beitrag.


KAP-HAWE-Gewicht-Bild1

Bild 1
Skizze Gewichtsausgleich

In Fräsmaschinen und anderen spanenden Werkzeugmaschinen erhalten Werkstücke ihre Form, indem ein Werkzeug an einem Werkstück entlanggeführt wird und dadurch Mate- rial abträgt. Es entsteht eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, der sogenannte Vorschub. Je nach Bauart der Werkzeugmaschine wird entweder die Spindel mit dem Werkzeug oder das Werkstück beschleunigt und in Bewegung gehalten. Abhängig von der Bewegungsrichtung wirken verschiedene Kräfte. Verläuft die Bewegung horizontal, sind das zusätzlich zur Vorschubkraft, die den Materialabtrag bewirkt, noch Reibungs- und Beschleunigungskräfte. Bei vertikalen Bewegungen ist zudem die Schwerkraft zu berücksichtigen, die, je nach Größe der zu bewegenden Masse, einen erheblichen Anteil ausmachen kann.
Der Antrieb für den Vorschub muss die Summe dieser Kräfte überwinden. Ob der Antrieb, wie bei modernen Bearbeitungszentren üblich, ein elektrischer Servomotor mit einer Kugelrollspindel oder ein Linearantrieb ist, es gilt in jedem Fall: Je größer die Kräfte sind, desto mehr Leistung muss der Antrieb aufbringen. Während sich die Kräfte für Materialabtrag, Reibung und Beschleunigung nur wenig beeinflussen lassen, gibt es eine sehr elegante und effiziente Methode, die Gewichtskraft vertikaler Achsen zu kompensieren: den hydraulischen Gewichtsausgleich.

Das Grundprinzip

Das Grundprinzip des hydraulischen Gewichtsausgleichs ist in der Skizze (Bild 1) dargestellt: Ein Hydraulikzylinder (1) leitet die Gewichtskraft in ein Hydrauliksystem ein, in dem noch ein Speicher (2) und ein Ventilblock (3) verbaut sind. Der Hydraulikdruck in diesem System ist so eingestellt, dass er die Gewichtskraft ausgleicht, das heißt, für die Überwindung dieser Kraft ist keine elektrische Leistung erforderlich.
Fährt der Hydraulikzylinder wie in der Skizze dargestellt aus, verdrängt er das Medium aus dem Zylinder in den Speicher, die Gasblase des Speichers wird komprimiert und nimmt damit die Energie auf. Fährt der Zylinder ein, strömt das Medium aus dem Speicher in den Zylinder zurück.
Das Hydrauliksystem wird für den Betrieb der Anlage einmalig ent- sprechend des gewünschten Drucks vorgefüllt. Danach bleibt es geschlossen, es ist keine weitere Zufuhr von Energie erforderlich. Der hydraulische Gewichtsausgleich bietet damit nicht nur den Vorteil, dass die Antriebe kleiner gewählt werden können. Auch die Energieeffizienz der Maschine bessert sich, da keine elektrische Leistung erforderlich ist, um die Gewichtskraft zu überwinden.
Ein Punkt ist jedoch zu berücksichtigten: Je nach Position des Zylinders ist die Gasblase im Speicher mehr oder weniger komprimiert. Dadurch verändert sich der Druck im Speicher und damit auch die Ausgleichskraft des Zylinders. Dieser Effekt ist unerwünscht, da er die Qualität der spanenden Bearbeitung negativ beeinflussen kann.
Ein möglichst großes Verhältnis zwischen verdrängtem Volumen und Speichervolumen minimiert diese Druck- bzw. Kraftabweichung. Die Speichergröße ist aufgrund des begrenzten Bauraums und der Forderung minimaler Kosten begrenzt. Daher ist es günstig, den Durchmesser des Zylinders klein und den Druck möglichst hoch zu wählen. Drücke im Bereich von 150 bis 200 bar haben sich als vorteilhaft erwiesen. Sinnvoll ist in den meisten Fällen auch, die Last am Zylinder hängend anzubringen. Auf der Stangenseite des Zylinders ist die Fläche kleiner, es ergeben sich ein höherer Druck und damit ein kleineres Austauschvolumen. Zudem muss bei dem dann ziehenden Zylinder die Knicklänge nicht beachtet werden.

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Autoren

 Axel Grigoleit

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