Energiekette an einer geneigten Achse: Gewicht, Rinne und Schubkraft

Wo geneigte Achsen an Werkzeugmaschinen auftreten

Eine geneigte Achse ist jede Achse, deren Verfahrrichtung weder waagerecht noch senkrecht ist. Sie kommt häufiger vor, als viele Konstrukteure erwarten: das schräge Portal einer Stein- oder Brückensäge, der Schwenkkopf einer Fünfachser, die geneigte Z-Achse eines Rohr- oder Profilbearbeitungszentrums, die Rampe eines Späneförderers, das schräge Werkzeugmagazin eines Bohrzentrums und der angestellte Beladearm eines Palettenwechslers.

Allen gemeinsam ist eine Eigenschaft, die die ganze Auslegung ändert: Ein Teil des Kettengewichts wirkt jetzt in Verfahrrichtung. Bei einer waagerechten Achse steht die Schwerkraft senkrecht zur Bewegung, die Kette muss nur getragen werden. Bei einer senkrechten Achse wirkt sie voll in Bewegungsrichtung, die Kette hängt. Bei einer Schräge mischen sich beide Anteile, und das Verhältnis ändert sich mit jedem Grad.

Die Schwerkraft verändert den Lastpfad

Bei einer um den Winkel a gegen die Waagerechte geneigten Achse ist der Anteil des Ketten- und Bündelgewichts in Achsrichtung proportional zu sin a, der auf die Auflage drückende Anteil proportional zu cos a.

• Bei 15 Grad ziehen nur 26 % des Gewichts in Achsrichtung, aber 97 % drücken noch auf die Rinne. Die Kette verhält sich fast wie waagerecht.
• Bei 45 Grad ziehen 71 % in Achsrichtung und 71 % drücken. Beide Effekte sind erheblich, das ist der anspruchsvollste Bereich.
• Bei 70 Grad ziehen 94 % in Achsrichtung, nur 34 % drücken. Die Kette verhält sich zunehmend senkrecht, das Risiko verschiebt sich vom Durchhang zum Rutschen.

Als Praxisregel gilt: unter etwa 30 Grad kann eine geneigte Achse wie eine waagerechte behandelt werden, über etwa 60 Grad wie eine senkrechte. Zwischen 30 und 60 Grad braucht sie eine eigene Betrachtung, weil weder das waagerechte noch das senkrechte Rezept sicher ist.

Was sich je Winkel ändert

Übernehmen Sie die Waagerecht-Freigabe eines Lieferanten nicht ungeprüft für eine Achse mit 40 Grad. Die Kettenbaureihe mag dieselbe sein; Rinne, Klemmen und Biegeradius sind es meist nicht.

Rinnen in der Schräge: führen, nicht nur tragen

In der Schräge übernimmt die Rinne zwei Aufgaben, die eine waagerechte Rinne nicht hat: Sie trägt die Kette, und sie hindert sie am Kriechen talwärts.

• Seitenführung ist ab etwa 20 Grad Pflicht. Eine offene Rinne lässt die Kette bei jeder Umkehr seitlich wandern, bis sie aussteigt.
• Die Kette leicht gegen den Rinnenboden vorspannen. Eine nur aufgelegte Kette kriecht wenige Millimeter pro tausend Zyklen talwärts – über ein Jahr genug, um am Endhalter anzustoßen.
• Die Rinne am unteren Ende entwässern. Kühlmittel und Waschwasser laufen abwärts und sammeln sich am unteren Halter, genau dort, wo Klemme und Kabeleinritt sitzen.
• Einen reibungsarmen Liner auf dem Boden verwenden. In der Schräge gleitet die Kette zusätzlich zum Rollen, und die Reibung von blankem Stahl addiert sich zur Schubkraft der Achse.
• Das obere Ende offen lassen. Eine ganz geschlossene Rinne schließt Luft und Medium oben ein und macht die Inspektion unmöglich.

Schubkraft und Knicken

Eine Energiekette ist ein Schub- und Zugelement: Das Losende schiebt die Kette auf dem einen Hub vor sich her und zieht sie auf dem anderen. In der Schräge arbeitet der Abwärtshub mit der Schwerkraft, der Aufwärtshub dagegen.

Für den Aufwärtshub gelten zwei Grenzen. Die erste ist die verfügbare Kraft des Achsantriebs, die selten das Problem ist. Die zweite ist Knicken: Wird die Kette geschoben und das ferne Ende ist gehalten, kann der Lauf seitlich ausweichen oder aus der Rinne heben. Die Knicklast fällt mit zunehmender ungestützter Länge steil ab, deshalb braucht ein langer geneigter Lauf Stützung an beiden Trums, nicht nur am unteren.

• Die maximale Schubkraft der Baureihe prüfen, nicht die Zugfestigkeit. Das sind verschiedene Zahlen, und nur eine davon ist maßgebend.
• Die Kette in der Draufsicht gerade halten. Eine leichte Krümmung in der Rinne senkt die Knicklast deutlich.
• Bei knapper Schubkraft Kabel und Schläuche an der geneigten Achse reduzieren; das Gewicht ist es, was bergauf geschoben werden muss.
• Bei sehr steiler Neigung nehmen Gegengewicht oder Federnachspannung den größten Teil der Aufwärtslast von der Kette.

Verankerung und Schwerpunkt

Der Festpunkt einer geneigten Kette gehört nach unten, nicht nach oben, aus zwei Gründen: die bewegte Masse liegt tiefer, und Medium, das in die Kette eintritt, läuft von den Kabeln weg statt in sie hinein.

• Unten verankern und die Kette nach oben laufen lassen. Der obere Halter führt dann nur, er trägt nicht das hängende Gewicht.
• Zwingt die Geometrie den Festpunkt nach oben, einen Klemmblock verwenden, der das volle Bündelgewicht trägt, plus eine Zugentlastung, die die Leiter entlastet.
• Das Bündel mittig über die Kettenbreite halten. In der Schräge erzeugt ein außermittiges Bündel eine Torsionslast, die sich als schnellerer Verschleiß einer Seitenlasche zeigt.
• An beiden Enden eine Serviceschlaufe lassen, damit die Kette ohne Kabelschnitt getrennt werden kann.

Kabel im geneigten Lauf

Die Kabelregeln sind dieselben wie an einer waagerechten Achse, mit zwei Zusätzen, die direkt aus der Schwerkraft folgen.

Asymmetrischer Verschleiß: das Zeichen für Schräglage

Eine geneigte Kette verschleißt ungleichmäßig, und das Muster zeigt, was passiert.

• Polierte Spur nur auf einer Seitenlasche. Die Kette wird seitlich gedrückt, meist durch Rinnen-Fehlausrichtung oder ein nicht mittiges Bündel.
• Verschleiß konzentriert am unteren Bogen. Dort trägt die Kette mehr Last als ausgelegt, meist weil der Festpunkt oben liegt.
• Gleichmäßiger, aber schneller Verschleiß. Die Kette gleitet statt zu rollen, was auf einen fehlenden oder verschlissenen Liner in der Rinne deutet.
• Schnellere Längung als an waagerechten Achsen. Die Gelenke arbeiten bei jedem Zyklus gegen die Schwerkraft; ein kürzeres Prüfintervall akzeptieren.

Halten, Bremsen und Leistungsverlust

Bei steiler Neigung muss die Achse die Position möglicherweise ohne Antrieb halten, und der Carrier trägt zu dieser Last bei.

• Den Gewichtsanteil von Kette und Bündel in die Auslegung der Haltebremse aufnehmen. Er ist klein gegen die Maschinenmasse, aber bei einem leichten Schwenkkopf nicht vernachlässigbar.
• Kann die Achse in Schräglage stromlos werden, prüfen, dass die Kette nicht selbst abläuft. Eine Kette mit reibungsarmem Liner in steiler Rinne kann kriechen.
• Einen mechanischen Anschlag am unteren Rinnenende vorsehen, der eine durchgehende Kette vor dem Halter fängt.

Montage in der Schräge

1. Zuerst die Rinne montieren und ihre Geradheit in beiden Ebenen prüfen; eine Verwindung zeigt sich später als Seitenverschleiß.
2. Den unteren Halter setzen, dann die Kette von Hand über den ganzen Verfahrweg in der Rinne führen, bevor Kabel angeschlossen werden.
3. Bestätigen, dass die Kette an keiner Stelle des Hubs aus der Rinne hebt.
4. Kabel vom schwersten zum leichtesten einlegen und jedes sofort unten klemmen.
5. Zehn Zyklen fahren und das Kriechen talwärts durch Markieren an der Rinne prüfen.
6. Die Entwässerung mit laufendem Kühlmittel prüfen, nicht trocken.

Checkliste für eine geneigte Achse

1. Winkel der Achse zur Waagerechten in Grad, an beiden Enden eines eventuellen Schwenkbereichs.
2. Verfahrweg und Taktzahl.
3. Bündelgewicht pro Meter und das schwerste Einzelkabel oder der schwerste Schlauch.
4. Kettenbaureihe, zulässige Schubkraft und maximale ungestützte Länge.
5. Rinnentyp, Seitenführung und Linerwerkstoff.
6. Welches Ende der Festpunkt ist und ob Medium an die Klemme gelangen kann.
7. Daten der Haltebremse und ob die Achse in Schräglage stromlos werden kann.

Mit diesen sieben wird die Neigung vom Detail zur Auslegungsgröße: der Winkel bestimmt die Stützart, das Gewicht die Schubkraft und der Festpunkt die Klemmung.