Lebensdauer von Elektrozylindern: Berechnung und Einflussfaktoren

Wie lange ein Elektrozylinder hält, wird oft erst lange nach der Kaufentscheidung gefragt – wenn tatsächlich ein Ausfall auftritt. Dabei ist die Lebensdauer ein vorhersagbarer Wert, der sich bereits in der Entwicklungsphase anhand weniger Parameter abschätzen lässt. Dieser Artikel erklärt die Berechnung, die Einflussgrößen und die tatsächlichen Ursachen einer verkürzten Lebensdauer im Betrieb.

Einfacher Ansatz: Lebensdauer anhand von Hub und Zyklenzahl

Im einfachsten Ansatz ergibt sich die Lebensdauer aus dem Verhältnis der gesamten Umdrehungskapazität des Kugelgewindetriebs zur Anzahl der Umdrehungen pro Zyklus:

Zyklenlebensdauer = Gesamte Umdrehungskapazität / (Hub × Anzahl der Richtungen)

Die "Anzahl der Richtungen" beschreibt die Richtungswechsel innerhalb eines Zyklus, meist 2 für Hin- und Rückbewegung. Je kürzer der Hub, desto mehr Zyklen ergeben sich aus derselben Gesamtumdrehungskapazität. Anwendungen mit kurzem Hub und hoher Frequenz wie Verpacken oder Pick-and-Place belasten den Antrieb je Zyklus anders als Anwendungen mit langen Hüben und seltenen Zyklen.

Diese Berechnung liefert eine schnelle erste Orientierung, reicht jedoch allein nicht aus, da die Last nicht berücksichtigt wird.

Der technische Ansatz: L10-Lebensdauer

Für Kugelgewindetriebe wird wie bei Lagern die L10-Lebensdauerberechnung nach ISO 3408 verwendet. Da der Zylinder innerhalb eines Zyklus wechselnden Lasten ausgesetzt ist, wird die kubisch gemittelte Last Fm verwendet:

Fm = ³√[ (F1³×d1 + F2³×d2 + ... + Fn³×dn) / (d1+d2+...+dn) ]

Jeder Abschnitt – Beschleunigen, konstante Geschwindigkeit, Bremsen und Rücklauf – wird nach seiner Kraft und dem zurückgelegten Weg gewichtet. Dies ergibt realistischere Ergebnisse als die Annahme einer konstanten Last, insbesondere bei kurzzeitigen Lastspitzen beim Beschleunigen oder Bremsen.

Die L10-Lebensdauer wird wie folgt berechnet:

L10 (Umdrehungen) = (Ca / Fm)³ × 10⁶

Ca ist die dynamische Tragzahl der Spindel aus dem Katalog. Aus der Umdrehungszahl und der Steigung ergibt sich der gesamte Verfahrweg. Dieser wird anschließend durch die typische Zykluslänge geteilt, um die erwartete Zyklenzahl zu bestimmen.

Vier wesentliche Einflussfaktoren auf die Lebensdauer

1. Last — Wegen des kubischen Zusammenhangs führt schon eine kleine Lasterhöhung zu einer überproportionalen Abnahme der Lebensdauer. Eine Erhöhung um 25 % kann die Lebensdauer ungefähr halbieren.

2. Geschwindigkeit und Beschleunigung — Hohe Geschwindigkeit allein verkürzt die Lebensdauer nicht. Zusätzliche Lasten beim Beschleunigen oder Bremsen nach F = m×a erhöhen jedoch die kubisch gemittelte Last. Harte Start-Stopp-Profile verkürzen die Lebensdauer deutlich stärker als gleichmäßige Bewegungsprofile.

3. Zyklusfrequenz und Hublänge — Wie im einfachen Ansatz dargestellt, verbrauchen kurze Hübe bei hoher Zyklusfrequenz die Gesamtkapazität schneller.

4. Umgebung und Wartung — Staub, hohe Temperaturen und Chemikalien beeinträchtigen den Schmierfilm und erhöhen Reibung und wirksame Belastung. Regelmäßige Schmierung und korrekt eingestellte Führungen sind Voraussetzungen dafür, die Kataloglebensdauer zu erreichen. Ein schlecht gewartetes System kann weit unter dem rechnerischen Wert bleiben.

Anwendung in der Praxis

Für die passende Modellauswahl sollte die Lebensdauer zusammen mit Drehmoment und Geschwindigkeit berechnet werden. Gleiche Kraft und gleicher Hub können bei unterschiedlichen Steigungs- und Getriebekombinationen verschiedene Lebensdauern ergeben. Für eine erste Bewertung können Sie Last, Geschwindigkeit und Zyklusdaten in unser Berechnungswerkzeug eingeben. Unser Entwicklungsteam unterstützt die endgültige Modellauswahl.

Dieser Artikel beschreibt eine allgemeine Methode. Die L10-Lebensdauer eines bestimmten Modells ist anhand seiner Katalogtragzahl Ca und des tatsächlichen Lastprofils Ihrer Anwendung zu berechnen.