Betriebszustandsabhängiges Modell zur Beschreibung der elektrischen Impedanz von Wälzlagern zur sensorischen Nutzung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckhard A. Kirchner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467849890

Der Stand der Forschung zeigt, dass relevante Einflussfaktoren der vom Betriebszustand abhängigen elektrischen Kapazität eines Wälzlagers vernachlässigt werden. Die Wälzkontakte außerhalb der Lastzone besitzen Einfluss auf die Impedanz des Wälzlagers und tragen zu einer Verbesserung des Modellzusammenhangs zwischen Last und Impedanz bei. Zur Beschreibung der Impedanz unbelasteter Wälzkörper wird das Modell eines im Allgemeinen gekrümmten Kondensators mit betriebszustandsabhängiger Geometrie entsprechend dem Punktkontakt zwischen Kugel und Innen- bzw. Außenring verwendet. Die Ziele motivieren die folgenden Arbeitshypothesen:AH I. Die trennenden Schmierfilme unbelasteter Wälzkörper beeinflussen die elektrische Kapazität von Wälzlagern; Schmierfilmdicke an unbelasteten Wälzkörpern, Lagerluft sowie die Dichte der Wälzkörper müssen in die Kapazität eingehen.AH II. Die Randfaktoren lassen sich durch ein betriebsparameterabhängiges physikalisch motiviertes Modell zur Beschreibung der gemessenen Impedanzen von Wälzlagern mit Punktkontakt ohne empirische Faktoren ersetzen.Im beantragten Projekt soll die Differenz zwischen Messung und Rechnung durch Berücksichtigung der unbelasteten Wälzkörpern im Impedanzmodell bei beliebigen Lastwinkeln für Wälzlager mit Punktkontakt auf ein für ein sensorisches Konzept ausreichendes Maß reduziert werden. So ergeben sich folgende Projektziele:1. Beschreibung der lastabhängigen Position und der Kinematik der Wälzkörper außerhalb der Lastzone zur Berechnung der Kapazität des unbelasteten Wälzkontakts.2. Abbildung des vollständigen Impedanzbeitrags aller Wälzkontakte.3. Validierung der Erweiterungen im Versuch an verschiedenen Wälzlagern mit Punktkontakt im relevanten Betriebsbereich.Untersuchungen auch bei Mischreibung sind notwendig, um das elektrische Verhalten von Wälzlagern zu verstehen. Die Beschränkung auf kleine Messspannungen ist notwendig, um ungewollten Stromdurchgang und Schäden an Wälzlager oder Schmierstoff zu vermeiden. Der Fokus liegt jedoch auf dem hydrodynamischen Betrieb von Wälzlagern, der Größeneinfluss wird stichprobenartig an einer zweiten Baugröße untersucht.Veränderungen des Schmierstoffs durch Verunreinigungen oder Alterung werden ausgeschlossen ebenso wie die Schädigung des Wälzlagers. Der Schmierstoff wird gefiltert und regelmäßig ausgetauscht. Die Wälzlager werden in Kurzzeitversuchen untersucht, ferner wird wenige Vorversuche eine rechnerische Obergrenze für die akkumulierte Schadenssumme ermittelt, bis zu der die Wälzlager veränderungsfrei untersucht werden können. Im Projekt werden einreihige Wälzlager mit Punktkontakt betrachtet, vorrangig stationär bei EHD-Bedingungen aber auch in der Mischreibung. Durch die sehr kurzzeitigen Ereignisse bei der Überrollung eines Wälzkontakts sind die Erkenntnisse aus der Untersuchung auch auf Wälzlager mit drehzahlvariabler Beanspruchung übertragbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen