Käfigoptimierung feststoffgeschmierter Rillenkugellager
Final Report Abstract
Feststoffgeschmierte Wälzlager stellen einen kleinen Teil des ansonsten sehr häufig und zuverlässig eingesetzten Maschinenelements dar. Während im Normalfall Fette oder Öle als Schmiermittel zur Reibungsreduzierung und manchmal auch zur Kühlung eingesetzt werden, gibt es Einsatzgebiete in denen diese Schmierstoffe nicht angewandt werden können oder dürfen. Ein ganz typisches Beispiel hierfür ist die Raumfahrt. Aus diesem Umfeld heraus wird auch deutlich, warum die wesentlichen Veröffentlichungen und Informationen rund um feststoffgeschmierte Wälzlager aus den 1950ern bzw. von entsprechenden Forschungseinrichtungen stammen. Auch wenn das Wissen um die Funktion feststoffgeschmierter Wälzlager jetzt schon über 60 Jahre verfügbar ist, so finden sich dennoch nur sehr wenig grundlegende Schriften zu dem Thema. Die vorhandenen Untersuchungen und Ergebnisse sind dabei in der Regel empirischer Natur und meist nicht miteinander vergleichbar. Die durchgeführten Forschungsarbeiten setzen im Wesentlichen auf die Vorarbeiten der TU Darmstadt und der TU Kaiserslautern in diesem speziellen Umfeld auf. Es wurde angestrebt, dem Leser einen grundlegenden Einblick in die Arbeit mit feststoffgeschmierten Wälzlagern zu geben. Hierbei wurde dargelegt, dass eine Transferschmierung von einem Schmierstoffdepot im Käfig hin zu dem Kontakt von Wälzkörper und Laufbahn stattfindet. Anhand von Mehrkörpersimulationen wurde untersucht, welchen Designgrößen ein Käfig folgen sollte, um diesen Transfer möglichst langanhaltend und unbeschadet bereitzustellen. Hierbei ist festzustellen, dass die Dynamik von Wälzkörper und Käfig wesentlich von dem Verschleißzustand der Tasche bzw. der Führung des Käfigs abhängt. So entsteht systembedingt ein Zielkonflikt. Zum einen muss die Käfigtasche in Teilen über der Lebensdauer verschleißen um dem Wälzlager Schmierstoff zuführen zu können, gleichzeitig begünstigt dieser Verschleiß einen instabilen Käfiglauf. In den aus der MKS-Studie abgeleiteten Gestaltungshinweisen für einen Käfig für feststoffgeschmierte Wälzlager sind Maßnahmen z.B. Käfigführung über den Innenring oder Teilen der Käfigtachen in schmierwirksame und führende Segmente) aufgezeigt, um einen möglichst optimalen Käfig zu verbauen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden im Weiteren in Form realer Bauteile und Versuche verifiziert. So ist es gelungen durch die gezielte Optimierung des Käfigs, die Lebensdauer eines feststoffgeschmierten Wälzlagers wesentlich zu steigern. Als weitere Information zeigt die vorliegende Arbeit am Beispiel eines Spindellagers den Einfluss von hohen Temperaturen auf einen Wälzlagerstahl ohne Wärmestabilisierung. Hierbei konnte festgestellt werden, dass für das Umfeld feststoffgeschmierter Wälzlager auch solche Stähle ausreichend sein können, vorausgesetzt der Nutzer berücksichtigt die sich einstellenden Formänderungen. Zudem ist dargelegt, dass die durch die Wärmeeinwirkung abnehmende Härte des Stahls zu beachten ist. Unter Berücksichtigung der konkreten Betriebsbedingungen, welche dieser Arbeit zugrunde lagen, ergäbe sich eine nominelle Ermüdungslebensdauer, die sich der Lebensdauer des feststoffgeschmierten Wälzlagers (definiert durch den Verbrauch initial vorhandenen Schmierstoffs) nähert. Insgesamt kann festgehalten werden, dass durch einen angepassten Einsatz von Materialien und entsprechendes Design der Wälzlagerbauteile ein zuverlässiges System definiert werden kann.
Publications
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Beitrag der Oberflächenanalytik zur Optimierung trockengeschmierter Wälzlager, 17. Arbeitstagung Angewandte Oberflächenanalytik, 24.-26. September 2012 Soest
S. Emrich, S.; Marquart, M.; Wahl, M; Merz, R.; Rauscher, B.; Burkhart, T.; Sauer, B.; Kopnarski, M.
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Feststoffgeschmierte Wälzlager - Lebensdauersteigerung durch Käfigoptimierung. 53. Tribologie-Fachtagung GfT, Gesellschaft für Tribologie e.V., 24.-26. September 2012, Götfingen. Band 2, S. 57/1 - 57/11. ISBN 978-3-00-039201-6
Sauer, B.; Marquart, M.
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Increasing the Lifetime of Solid Lubricated Roller Bearings. Proceedings of the Eighth International Conference on Mechanical Engineering (GEPESZET), Budapest Hungary, pp. 152-163, ISBN 978- 963-313-055-1 (2012)
Marquart, M.; Sauer B.
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Optimized Cage Design for Increasing the Life of Solid Lubricated Roller Bearings, ASME-IMECE2012, November 9-15. 2012, Houston, Texas, USA
Marquart, M.; Sauer, B.
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Wälzlager in der Vakuumtechnik - Lebensdauersteigerung durch Käfigoptimierung. Vakuum in Forschung und Praxis, 24; 6-9
Marquart, M.; Sauer, B.
