Radial floating bearing for high speed applications
Final Report Abstract
In der ersten Förderperiode wurde auf Basis einer rechnerischen Analyse des FRB Lagers dessen Potential für die Zielapplikation Motorspindel identifiziert, welches sich in einer im Vergleich zu Spindel- und Zylinderrollenlagern hohen Steifigkeit bei geringer Abhängigkeit des Betriebsverhaltens von Last und Drehzahl äußert. Die experimentelle Untersuchung erster Prototypen bestätigt die grundsätzliche Funktionalität des FRB Lagers bis 10.000 1/min bei eingegrenzten Betriebsbedingungen, zeigt aber große Herausforderungen insbesondere in der Lageranstellung, Vorspannung und Schmierung sowie der internen Lagerkinematik, bei der eine starke Neigung zum Kippen und Schränken der Wälzkörper besteht. In der zweiten Förderperiode wurden zum besseren Verständnis der internen Lagerkinematik die Berechnungsmodelle erweitert. Ein Schwerpunkt lag in der Modellierung der internen Wechselwirkungen aller am Wälzkörper angreifenden Kräfte und Momente inklusive der Reibung. Weiterhin wurde die Anstellungssituation im FRB Lager im Detail abgebildet. Auf Basis einer Parametervariation wurde der Einfluss wesentlicher Geometrieparameter auf das Betriebsverhalten untersucht. Als wichtiger Faktor wurde die Fliehkraft identifiziert, da unter Drehzahl eine deutliche Traganteilsverschiebung vom Innen- zum Außenring entsteht. Der steifere Linienkontakt ist vergleichsweise gering eingefedert. Bei Radiallast federn die Außenringkontakte stärker ein, sodass der Innenring schnell entlastet. Zur Reduktion des Fliehkrafteinflusses wurden die Wälzkörper deutlich verkleinert. Zum sicheren Betrieb ist es notwendig das Lager stark vorzuspannen, da die Anpassung des Betriebsspiels mit dem Dehnring andernfalls zu einem Vorspannungsverlust führt. Bei hohen Drehzahlen führt dies zwangsläufig zum Ausfall. Der Mechanismus der thermischen Kompensation reagiert sehr empfindlich auf unterschiedliche Betriebsbedingungen. Zur experimentellen Untersuchung der FRB Lager und Standardlager unter Berücksichtigung des Radiallasteinfluss wurde ein neuer Prüfstand und eine neue Prüfmethodik entwickelt. Dadurch wurde es erstmalig möglich das Betriebsverhalten von Hochgeschwindigkeitswälzlagern unter Radiallast im Detail zu untersuchen. Die Methode wurde mit Standardlagern validiert. Bei der Untersuchung des FRB Lagers wurde mit zusätzlichen Sensoren ein kritisches Klemmen sowie das Kippen des beweglichen Außenrings identifiziert. Die weitergehenden Untersuchungen an den Lagern der ersten Generation bestätigten die über den Lagerumfang extrem unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Zusätzlich wurde durch die Messung der Käfigdrehzahl ein Schlupf des Rollensatzes identifiziert. Beide Effekte führen schließlich im mittleren Drehzahlbereich zum Ausfall. Die Modellierung zusätzlicher Wälzkörperfreiheitsgrade ermöglicht nun die Berechnung des Schränkens und Kippens der Wälzkörper. Im betrachteten Fall führt ein für die Loslagerseite in einer Spindel übliches Kippen bereits zu kritischen kinematischen Schwankungen über dem Lagerumfang. Trotz der sehr kleinen Fertigungstoleranzen führen die vorhandenen leichten Abweichungen von der Nenngeometrie im FRB Lager bereits zu kritischem Kippen und Schränken. Die Neigung zum Kippen und Schränken war bei den Lagern der zweiten Generation größer, da aufgrund der kleineren Stützlänge der Wälzkörper leichter Schiefstellungen entstehen. Hier wirken sich Abweichungen von der Nenngeometrie sowie leichte Schiefstellungen stärker aus. Ein sicherer Betrieb war nicht möglich und es kam bereits bei niedrigen Drehzahlen zum Ausfall. Das statische Last-Verlagerungsverhalten wurde durch die Berechnungen abgebildet. Mithilfe der erweiterten Berechnungsmethoden konnte das Verhalten sowie die Ausfallursachen der FRB Lager abgebildet und erklärt werden, sodass das Betriebsverhalten des Lagerkonzepts im Speziellen verstanden wird. Darüber hinaus wurden die rechnerischen und experimentellen Methoden genutzt, um das Verständnis des Betriebsverhaltens von Hochgeschwindigkeitslagern im Allgemeinen zu verbessern. Insbesondere ist durch die neue Prüfmethodik erstmalig die detaillierte Untersuchung von statischen Radiallasteinflüssen auf Hochgeschwindigkeitslager möglich. Dies zeigen die Versuche an den Standardlagern, die den Radiallasteinfluss auf das Betriebsverhalten von Spindel- und Zylinderrollenlagern im Detail abbilden.
Publications
- Baureihenversuche an Hochgeschwindigkeitszylinderrollenlagern auf einem modularen Lagerprüfstand. Gleit- und Wälzlagerungen 2017. VDI-Berichte, Bd. 2308. Düsseldorf: VDI-Verlag 2017, S. 185–196
Brecher, C., Falker, J. u. Lehmann, T.
- Non-linearly coupled modelling of spindle bearing systems. Proceedings of Bearing World 2018
Brecher, C., Falker, J. u. Fey, M.
- Simulation schnelldrehender Wellen-Lager-Systeme. Teil 1: Berechnung von Hochgeschwindigkeitswälzlagern in Wellen-Lager-Systemen. Antriebstechnik (2018)
Brecher, C., Falker, J. u. Fey, M.
- Untersuchung des Betriebsverhaltens radial belasteter Hochgeschwindigkeitswälzlager. In: Gleit- und Wälzlagerungen 2019. Schweinfurt, 05.-06. Juni 2019. VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung
Brecher, C.; Falker, J.; Fey, M.
