Verbesserte Vorhersage der Wälzlagerkinematik durch genaue Berücksichtigung der hydraulischen Kräfte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Oliver Koch
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542942635

Für die Auslegung von Wälzlagern wird in den meisten Fällen die Ermüdungslebensdauer nach ISO281 oder ISO/TS16281 verwendet. In der praktischen Anwendung wird die Gebrauchsdauer im Sinne der klassischen Ermüdung unter idealen Bedingungen meist überschritten. Je nach Betriebsbedingungen können jedoch Wälzlagerausfälle mit Schadensbildern auftreten, deren Ursache nicht die klassische Ermüdung ist. So kommt es z.B. im Bereich von Windkraftanlagen zu vorzeitigen Ausfällen von Wälzlagern schnelldrehender Generatorabtriebswellen, Planetengetriebelagern oder Rotorwellenlagern durch Schadensbilder wie Anschmierungen, die auf eine zu geringe Lagerbelastung zurückzuführen sind. Bei geringer Belastung kommt es zum Schlupf der Wälzkörper, d.h. zu erhöhten Gleitbewegungen. Insbesondere beim Wiedereintritt der Wälzkörper in die Lastzone oder bei einem plötzlichen Lastanstieg beschleunigen die Wälzkörper sehr schnell. Bei hohen Massenträgheiten, wie sie z.B. in Windkraftanlagen vorkommen, bedeutet dies große Reibungskräfte und damit einen hohen Energieeintrag. Eine Möglichkeit, schlupfbedingte Betriebszustände bei niedrigen Lagerbelastungen vorherzusagen, besteht in Form von herstellerabhängigen Mindestlastformeln. Deren Grundlagen beruhen jedoch überwiegend auf empirischen Erkenntnissen und nur teilweise auf den physikalischen Phänomenen. Zudem sind die oben genannten Formeln für statische Betriebsbedingungen konservativ auf das Schadensrisiko abgestimmt. Dies führt zu ungenutzten Potenzialen. Zu geringen Lagerlasten muss dann z.B. mit zusätzlicher – nicht notwendiger - Lagervorspannung begegnet werden, was aber zu zusätzlichen Energieverlusten und damit schlechteren Wirkungsgraden sowie erhöhtem Konstruktionsaufwand und damit Kosten führt. Zudem können Wechselwirkungen zwischen Betriebsparametern wie Lagerbelastung und Drehzahl bei diesen herstellerabhängigen Verfahren nicht zuverlässig bewertet werden. Ungeplante Lagerausfälle unter dynamischer Belastung können die Folge sein. Um diese zu vermeiden, besteht ein dringender Bedarf an einer Methode zur Bestimmung des Einflusses von hydraulischen Kräften auf die Wälzlagerkinematik in der Mehrkörpersimulation (MKS), um anschließend Schadensvorhersagen unter Mindestlastbedingungen zu treffen. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung und Validierung einer Methode zur Vorhersage der Kinematik der einzelnen Lagerkomponenten unter Berücksichtigung der Kontakt- und Hydraulikkräfte. Dazu sollen aus komplexen, zeitabhängigen CFD-Modellen geeignete Gleichungen abgeleitet werden, die die Verteilung der hydraulischen Lasten auf die einzelnen Lagerelemente beschreiben und somit in Form von Kräften und Momenten in bestehenden MKS-Modellen für Wälzlager berücksichtigt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Partnerorganisation: Autonome Provinz Bozen - Südtirol
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Franco Concli, Ph.D.