Lebensdauer-Ermittlung für Gewinde: Schneller, präziser, günstiger – auch für Speziallösungen

Seit Beginn der Industrialisierung spielen Gewindespindeln und Muttern eine zentrale Rolle. Verblüffend: Bis heute sind Aussagen in Bezug auf Lebensdauer und Verschleiß kaum machbar, wären aber mit Blick auf die Investitionssicherheit von besonderer Bedeutung. Neu ist jetzt das Gewinde-Testsystem TriboLife: Damit kann Verschleiß zügig experimentell reproduziert werden – was den teuren Dauerprüfstand weitgehend überflüssig macht.

Durch Reibung entsteht Wärme. Diesen Satz bringen selbst Nicht-Ingenieure noch gut zusammen. Doch Reibung ist viel mehr. Genauer gesagt: Reibung ist der Widerstand, der bei der Bewegung zweier sich berührender Körper auftritt. Reibung gibt Halt und Reibung ermöglicht, dass wir nach dem Duschen mit ein bisschen Glück selbst auf einem feuchten Fliesenboden zum Stehen kommen.

Uralte Reibungsgesetze von 1699 – und viele offene Fragen

Wo sich Reibung positiv auswirkt, dafür gibt es viele Beispiele. Was Reibung jedoch für Ingenieure und technische Anwendungen so ambivalent macht, lässt sich an Gewindespindeln demonstrieren. Sind sie in Maschinen und Anlagen verbaut, werden sie in der Regel großen Belastungen ausgesetzt – Stichwort Schwerlasthebetechnik. Zuverlässigkeit und maximale Standzeiten spielen jedoch bei Hebewerken eine besondere Rolle. Der Knackpunkt: Der Wissenschaft fällt es bis heute schwer, Reibungskräfte exakt zu berechnen. Die nach wie vor gültigen Reibungsgesetze gehen noch auf Guillaume Amontons und das Jahr 1699 zurück.

In Gewinden und Maschinen: Reibung führt zu Vibration

Die Effekte der Haft- und Gleitreibung haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Vibrationen der Werkstücke und verkomplizieren damit bei Gewinden belastbare Lebensdauervorhersagen. Doch Forscher nehmen das Thema jetzt wieder in den Fokus und betrachtet man die Oberflächen zweier Reibungspartner auf atomarer Ebene, zeigen Messungen, dass Oberflächen ab einer gewissen Amplitude in extreme Schwingung geraten. Diese Schwingungen setzen sich als Vibrationen in das Gewinde fort – atomar völlig ungeordnet und chaotisch. Anders gesagt: Reibung ist und bleibt in exakten Zahlen nur schwer berechenbar. Um sich verlässlichen Aussagen über Haltbarkeit und Lebensdauer von Gewinden anzunähern, braucht es in der Praxis teils langwierige Belastungstest über viele Wochen. Die Simulation der Alterung nimmt entsprechend Ressourcen in Anspruch, kostet viel Geld und drückt die Produktivität.

Als Gewindespezialist werden wir natürlich immer wieder auf die Lebensdauer unserer Produkte angesprochen. Unsere Ingenieure erläutern dann die Komplexität physikalischer Reibung. Insbesondere für Trapezgewinde gibt es kaum belastbare Berechnungsansätze. Doch in der Zusammenarbeit mit der SincoTec Test & Engineering GmbH konnten wir ein Testverfahren entwickeln, mit dem sich die Lebensdauer des Spindel-Mutter-Systems sehr genau und um Längen schneller bestimmen lässt.

— Moritz von Soden, Geschäftsführer bei Bornemann Gewindetechnik

Innovativ, schnell, präzise: Das Gewinde-Testsystem TriboLife

Für Komponenten im Maschinenbau wird in der Regel ein Ermüdungsschaden für die Berechnung der Lebensdauer herangezogen, so zum Beispiel ein Materialbruch. Doch bei Gewinden spielt weniger ein „Totalschaden“ die entscheidende Rolle, vielmehr geht es um die Ermittlung des Verschleißes. Speziell bei Trapezgewinden ist eine Auslegung somit nicht gleichbedeutend mit einer Lebensdauerberechnung.

Mit TriboLife können Alterungsprozesse schnell wie nie zuvor experimentell reproduziert werden. Langzeittests auf eigens konstruierten Prüfständen werden weitgehend überflüssig. Vorlasten von mehreren Tonnen sind realisierbar. Verschiedenste Schmierstoffe lassen sich einbringen. Die Interaktion zwischen Mutter und Gewinde ist durch einen frei einstellbaren Winkel gewährleistet. Zudem können im Testbetrieb unterschiedlichste Temperaturen gefahren werden. TriboLife erreicht Prüffrequenzen von 25 Hertz – der Verschleiß von 10 Jahren kann damit binnen einer Woche reproduziert werden. Gerade bei Neuentwicklungen sind vielen Konstrukteuren diese zuverlässigen Verschleißdaten besonders wichtig, vor allem wenn es darum geht, in mehrere Testreihen Werkstoffe und Fertigungsverfahren miteinander zu vergleichen.

Detailfoto der tragenden Gewindeflanken nach dem ersten Versuch

Experimentelle Lebensdauer-Ermittlung komplexer Gewinde-Komponenten

Die Lebensdauer von Gewinden exakt vorherzusagen bleibt auch mit TriboLife eine Herausforderung. Doch die Anwendungsmöglichkeiten sind breit gefächert, gerade für die korrekte Auslegung von Trapezgewinden ist das schnelle Testsystem ein großer Vorteil. Als unser Kooperationspartner kann Bornemann anspruchsvolle Kunden damit auf einem neuen Level beraten. Nicht zu vergessen: Bisher waren intensive Dauertests für die meisten Anwendungen schlicht zu teuer. Mit TriboLife geht mehr – selbst für Spezialgewinde lassen sich in Zukunft exakte Aussagen zu Verschleiß und Lebensdauer treffen.

— Dipl.-Ing. Steffen Krause, Entwicklungsleiter bei der SincoTec Test & Engineering GmbH

Weitere Informationen über TriboLife finden sich auch auf Youtube

Verschleiß an den tragenden Gewindeflanken nach dem Versuch

Über Bornemann

Bornemann Gewindetechnik (www.bornemann-gewindetechnik.de) stellt Gewinde in sämtlichen Sonderformen her. Sonderlösungen für Anwendungen in der Hebetechnik und im Stahlwasserbau sowie Bühnentechnik und Absperrschieber in Staudämmen, um nur einige zu nennen. Neben anspruchsvoller Maßarbeit bei Sägengewinden, Förderschnecken und mehrgängigen Gewinden liegt ein Schwerpunkt in der Produktion großer, einbaufertiger Trapezgewindespindeln und Mutternsätzen. Ausgangsmaterialien sind alle spanbaren Werkstoffe. Die Standardgrößen für Gewindespindeln liegen im Durchmesserbereich von 10 bis 300 mm und reichen bis 10 m Länge. Überlängen von bis zu 100m können in mehrteiligen Ausführungen produziert werden. Mit Hilfe des Wirbelverfahrens werden Gewindeoberflächen in Schleifgüte erzielt.