Aufbau eines empirischen Modells der Spindellagerdämpfung unter Berücksichtigung der Einbau- und Betriebsbedingung für eine anwendungsorientierte Simulation des dynamischen Systemverhaltens von Hauptspindeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das durchgeführte Projekt befasst sich mit der rechnerischen und experimentellen Bestimmung des Dämpfungsverhaltens von Spindellagern und leistet somit einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis des Dämpfungsverhaltens und den Methoden, mit deren Hilfe dieses abgebildet werden kann. In Abschnitt 1 werden Prüfstandversuche an einem Lagerprüfstand durchgeführt. Hierzu werden im Betriebszustand Nachgiebigkeitsfrequenzgänge gemessen und mithilfe modaler Modelle die Dämpfungskonstanten der relevanten Eigenmoden bestimmt. Es zeigt sich, dass die Dämpfungsmaße im niedrigen Drehzahlbereich am höchsten sind und mit steigender Drehzahl abnehmen bis sie schließlich nur noch auf einem Niveau verharren. In Abschnitt 2 erfolgt die theoretische Behandlung der Wälzkontaktdämpfung auf Basis der Berechnung von EHD-Kontakten. Es werden die notwendigen Gleichungen zur Beschreibung des geschmierten Wälzkontakts behandelt und es wird erklärt, wie von der zeitabhängigen Wälzkontaktberechnung auf das Dämpfungsverhalten geschlossen werden kann. Danach erfolgen auf Grundlage der statistischen Versuchsplanung Berechnungen zur Bestimmung der Haupteinflüsse auf das betriebsabhängige Dämpfungsverhalten. Darauf aufbauend wird beispielhaft ein einfaches Modell der Dämpfung in Abhängigkeit der Betriebsparameter Kontaktlast, Kontaktgeschwindigkeit, Anregungsfrequenz und statischer Vorlast abgeleitet. Abschließend werden betriebsunabhängige Parameter des Lagers auf deren Einfluss untersucht und dargestellt. Es zeigt sich, dass vor allem die Viskosität des Schmierstoffes und der Wälzkörperradius die Haupteinflüsse für die Verminderung bzw. Erhöhung des kontaktbezogenen Dämpfungsvermögens sind. Abschließend erfolgt ein Abgleich zwischen Prüfstandssimulation und Experiment unter Anwendung des hergeleiteten Dämpfungsmodells. Es folgt eine gute Übereinstimmung der Amplitudenhöhen in den Nachgiebigkeitsfrequenzgängen sowohl für die axiale als auch die radiale Richtung. Abschnitt 3 zeigt die Ergebnisse der Untersuchungen zum Einfluss der Montage auf. Es wird dargestellt, dass die Passung zwischen Außenring und Gehäuse einen zum Teil signifikanten Einfluss auf das dynamische Verhalten hat. Nichtsdestotrotz lässt sich auch heraus ableiten, dass die Dämpfung bei allen Versuchen in einem ähnlichen Bereich liegt. Den Schluss des Projektberichts bildet die Prognose des dynamischen Verhaltens eines industriell eingesetzten Spindelsystems. Die Parametrierung des Dämpfungsmodells erfolgt dabei erneut für die in der Versuchsspindel verbauten Spindellager. Es zeigt sich, dass trotz großer Unsicherheiten, die beispielsweise aus den Loslagerkomponenten herrühren, ein für weite Teile des Betriebsbereiches gutes Abbild der realen Verhältnisse erreicht werden kann. Dennoch werden auch Schwachstellen des Modells aufgedeckt. Vor allem im hohen Drehzahlbereich weicht der simulative Amplitudengang deutlich vom Experiment ab. Dies wird auf die Unsicherheiten der Loslagerkomponenten zurückgeführt, die bisher nur unzureichend untersucht worden sind. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die in diesem Projekt durchgeführten Arbeiten und das darauf aufbauende Dämpfungsmodell plausibel und in sich und in Bezug auf die bereits vorhandene Literatur in diesem Bereich schlüssig sind. Somit wurden relevante Fortschritte im Bereich der Dämpfungsprognose erzielt, welche nun Konstrukteure und Berechnungsingenieure mittels eines einfachen Ansatzes ermächtigen, a priori Dämpfungswerte zu bestimmen und in Simulationen einzusetzen. In einem nächsten Schritt müssen die Berechnungsergebnisse nun anhand weiterer experimenteller Untersuchungen für einen breiteren Bereich an Betriebsparametern und Lagertypen validiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Dämpfungsmodelle für hochdrehende Spindellager, In: Maschinenmarkt: MM, 123. Jahrgang, 2017, Nr. 44, S.: 28-32
Brecher, Christian; Motschke, Tobias & Fey, Marcel
-
Dämpfungsmaße in Lagerpassungen*/Identification of damping values for spindle bearing interfaces. wt Werkstattstechnik online, 109(05), 342-346.
Brecher, C.; Motschke, T. & Fey, M.
