Gestaltungsvarianten für Spindellager zur Steigerung der erreichbaren Drehzahlen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Subject Area: Engineering Design, Machine Elements, Product Development
• Term: from 2005 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 15683039

Im Bereich der Maschinen mit rotatorisch bewegten Komponenten stellt das Wälzlager ein Maschinenelement dar, das optimal für die angestrebten Betriebsbedingungen ausgelegt werden muss. Obwohl die Verfahren zur Berechnung des Wälzlagerverhaltens schon weit entwickelt sind, sind die Versagensmechanismen besonders im Bereich der Drehzahlgrenzen noch nicht genügend analysiert worden. Dies ist jedoch zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und des Leistungsvermögens der Spindellager zwingend erforderlich. In diesem Zusammenhang muss der inneren Geometrie der Lager sowie auch der speziellen Einbausituation besondere Beachtung geschenkt werden. Es existieren bisher für den hohen Drehzahlbereich noch keine ausreichenden Untersuchungen, die eindeutige Rückschlüsse auf die Beziehung zwischen Lagerausfall, Betriebsbedingungen (z.B. Drehzahl, Schmierung, Lastkollektiv etc.) und den zugrunde liegenden Ausfallmechanismen erlauben und somit wiederum als Ansatz zur Steigerung der Maximaldrehzahlen dienen können. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher zunächst, im Hinblick auf die erreichbaren Höchstdrehzahlen von Spindellagersystemen den Einfluss wesentlicher Faktoren wie Innengeometrie, Käfig, Einbausituation und Schmierung in Beziehung zu der entstehenden Belastungssituation zu analysieren. Zu diesem Zweck sollen theoretische Berechnungsgrundlagen erarbeitet werden, die es ermöglichen, die innere Kinematik und Kinetik der Spindellager in Abhängigkeit der Betriebssituation unter Berücksichtigung des Spindel- und Gehäuseeinflusses zu bestimmen. Die gegenseitige Wechselwirkung zwischen Spindel, Lagerinnenring und den Abwälzbedingungen im Lager muss zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Berechnungen berücksichtigt werden. Ein zusätzlicher Schwerpunkt soll die detaillierte Untersuchung von Spindellagern mit drei bzw. vier Wälzkontakten pro Wälzkörper sein. Auf Basis der erzielten Ergebnisse sollen Optimierungshinweise für die Gestaltung und für den Einbau von Hochleistungsspindellagern wie auch Hinweise zur anwendungsorientierten Lagerauslegung formuliert werden, die zu einer Verbesserung der Betriebseigenschaften (z.B. Steifigkeit) sowie zu einer Anhebung der erreichbaren Drehzahlen führen. Die Verifizierung der Ergebnisse der rechnerischen Analysen soll mit den am WZL vorhandenen Prüfständen durchgeführt werden. Einzellagerprüfstände werden zunächst zur detaillierten Untersuchung des Betriebsverhaltens der unterschiedlichen Lagerkinematiken sowie zur Analyse der Käfig- und Einbaueinflüsse genutzt. Zusätzlich steht ein Prüfstand zur Verfügung, der die Montage von bis zu vier Lagern auf einer Spindel ermöglicht. Durch die Aufbringung von axialen (zweiseitig) und radialen Lasten können realistische Betriebszustände simuliert werden. Dies ist zur Überprüfung der kinematischen Analysen von großer Bedeutung.

• DFG Programme: Research Grants