Neuer Titel: Neue experimentell gestützte Lebensdauertheorie für feststoffgeschmierte Kugellager durch Einsatz der Dynamik-Simulation Alter Titel: Optimierung der Lebensdauerberechnung für feststoffgeschmierte Kugellager durch Einsatz der Simulation für die Analyse der Kugel-Käfig-Dynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zum Zeitpunkt der Antragsstellung war lediglich der Effekt der Lebensdauerverlängerung feststoffgeschmierter Wälzlager durch unterschiedliche Käfigwerkstoffe insbesondere Sintimid PUR und Sintimid mit 30% MoS2 bekannt. Daher war das Ziel des Vorhabens, die Ursachen dieser Effekte zu untersuchen und sie in die Lebensdauerberechnung einfließen zu lassen. Dazu wurde die Hypothese aufgestellt, dass beim Verschleiß des Käfigwerkstoffs dessen schmierwirksame Bestandteile aus den Kugel-Käfig-Kontakten in die Laufbahn eingetragen werden und so zu einem „Nachschmiereffekt“ an den lebensdauerbegrenzenden Laufbahnbeschichtungen führt. Da insbesondere für die Kugel-Käfig-Kontakte keine theoretische Beschreibung existiert, die es ermöglicht, die Pressung und die Gleitgeschwindigkeiten im Kontakt zu berechnen, wurde die Lagersimulation als Lösungsansatz herangezogen. Hierzu wurden die am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT) vorhandenen Modellgrundlagen verwendet und weiterentwickelt. Zur exakten Beschreibung der Käfigeigenschaften war es notwendig, ein makro-elastisches Käfigmodell zu verwenden, um die Pressungen und Geschwindigkeiten möglichst realitätsnah abbilden zu können. Desweiteren mussten Beschreibungen gefunden werden, um die Geometrieparameter des Käfigs bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmen zu können. Dazu wurden aus FE-Berechnungen Formeln abgeleitet, die vor Beginn einer Simulation eine Bestimmung der Eingangsdaten ermöglicht. Um die Modelle zu validieren und die Berechnungen zu verifizieren, wurden Prüfstandsversuche durchgeführt. Als Teilergebnis des Projektes stehen nun Simulationsmodelle zur Verfügung, die geeignete Eingangsdaten für eine Lebensdauerermittlung aufgrund einer Berechnung der Reibenergie im Kugel- Käfig-Kontakt ermitteln. Mit diesen Eingangsdaten aus der Simulation wurde die Reibenergieberechnung des Fachgebiets für Produktentwicklung und Maschinenelemente (pmd) auf den Kugel-Käfig-Kontakt erweitert. In einem Lagertest wurde der Einfluss einer Drehzahlerhöhung auf die Lebensdauer einer Festschmierstoffschicht untersucht. Dabei konnte keine Abhängigkeit zwischen Schichtlebensdauer und Gleitgeschwindigkeit festgestellt werden. Weiter wurden Verschleißraten und Gleitreibwerte von verschiedenen Käfigwerkstoffen bei hohen Temperaturen und unter Vakuum ermittelt. In der ersten Versuchsreihe wurde der lebensdauerverlängernde Effekt einer Festschmierstoffbeimengung zum Käfigmaterial nachgewiesen. Durch Erhöhung der Drehzahl wurden die Kugel-Käfig-Kräfte verändert. Dies führte wie prognostiziert, zu einer längeren Lebensdauer durch den Käfigverschleiß. In den Versuchsreihen wurde das neue Modell auf andere Bedingungen und Lagerbaugrößen übertragen. Dabei konnte eine Übereinstimmung der relativen Lebensdauerprognose beobachtet werden. Durch die veränderten Geometrien der Prüflager sind die Kugel-Käfig-Reibenergien in Bereiche verschoben worden, die entweder keinen nachweisbaren Beitrag zu Lagerlebensdauer mehr zeigen oder sogar die Lebensdauer verkürzen können. Es konnte auch gezeigt werden, dass die verwendete Festschmierstoffschicht höchsten Pressungen standhält, bei denen die Materialermüdung schneller eintritt als der Schichtabtrag. Daraus lässt sich schließen, dass hohe Lebensdauern bei ausreichender Schmierstoffzufuhr auch unter Feststoffschmierung möglich sind und dass sich der Käfig eignet, die dafür erforderliche Schmierstoffversorgung zu ermöglichen. Durch die Erweiterung der Lebensdauerberechnung um den Kugel-Käfig-Kontakt wurde die Lebensdauerberechnung deutlich, gegenüber dem Stand vor Projektbeginn, verbessert. Jedoch sind auch neue Effekte aufgetreten, denen vor Projektbeginn noch keine oder nur geringe Bedeutung beigemessen wurde. Gerade die erwähnten neu aufgetretenen Effekte sollten in Zukunft explizit untersucht werden, um deren Einfluss genauer bestimmen zu können, da es im Rahmen des Arbeitsplanes dieses Vorhabens nicht möglich war, die entsprechenden Effekte empirisch zu erfassen und zu bewerten. Hierbei ist insbesondere der Temperatureinfluss zu nennen. Es wurde beobachtet, dass die Reibenergie im Kugel-Käfig-Kontakt zu einer Erhöhung der Bauteil-Temperaturen führt. Dies äußert sich in einer starken Beschleunigung des Schichtabbaus im Kugel-Ring-Kontakt. Es ist also ein Reibenergiebereich zu identifizieren, der eine maximale Lebensdauerverlängerung bietet. Dies kann zum einen durch die Optimierung von Lagergröße und Geometrie erzielt werden, zum anderen aber auch in intelligenten Käfigkonstruktionen, die einen hohen Schmierstofftransfer bei kleinen Reibmomenten und hoher Wärmeabfuhr bieten. Die entstehenden Temperaturanstiege der Lagerkomponenten wurden bei einem Lagerversuch mit Hilfe einer Thermokamera betrachtet. Für zukünftige Arbeiten muss überlegt werden, wie die Kontakttemperatur noch präziser erfasst und bewertet werden kann. Ein weiterer Untersuchungspunkt sollte die Erhöhung der Lebensdauer durch die bewusste Beeinflussung der Käfiggeometrie sein. Hierin besteht eine viel versprechende Möglichkeit feststoffgeschmierte Lager (insbesondere MoS2 geschmierter Lager) auch für Anwender deutlich attraktiver zu machen. Hier ist z.B. die Vakuumpumpentechnik zu nennen, die bereits Anfragen an die beiden Forschungsstellen herangetragen hat. Hier wird zurzeit beispielsweise mit einer fliegenden, fettgeschmierten Lagerung außerhalb des Vakuumbereiches gearbeitet. Der Hersteller würde hingegen gerne zumindest ein Lager in den Vakuumbereich verlagern, um bei den in den Vakuumpumpen üblichen hohen Drehzahlen eine bessere Lastverteilung auf die Welle sowie die Lager zu erzielen. Hierzu reicht jedoch die bisherige Lebensdauer feststoffgeschmierter Lager noch nicht aus.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Systematik zur Entwicklung und Validierung einer erweiterten Lebensdauertheorie für feststoffgeschmierte Rillenkugellager. GfT Tribologie-Fachtagung 2006, Göttingen
Bozkurt, H., Wohlgemuth, M., Birkhofer, H., Sauer, B.
- Analytische und experimentelle Verifikationsmethoden anhand eines Wälzlagerkäfig-Simulationsmodells. 5. Gemeinsames Kolloquium, Dresden 2007
Babbick, T., Sauer, B.
- Experimentelle Untersuchung MoS2 bei Wälzkontakten unter Hochtemperatur und Hochvakuum. Tribologie und Schmierungstechnik 5/2007
Bozkurt, H., Birkhofer, H.
- Experimentelle Validierung des Reibenergiemodells, sowie dessen simulationsseitige Umsetzung. GfT Tribologie-Fachtagung 2007, Göttingen
Bozkurt, H., Wohlgemuth, M., Birkhofer, H., Sauer, B.
- Strategien zur Simulation von Wälzlagerkäfigen in feststoffgeschmierten Rillenkugellagern. Tribologie und Schmierungstechnik 4/2007
Wohlgemuth, M., Sauer, B.
- Wälzlager Käfigmodelle für feststoffgeschmierte Rillenkugellager. Dresdner Maschinenelemente Kolloquium 2007
Wohlgemuth, M., Aul, V., Sauer, B.
- Lebensdauerverlängerung durch Käfigverschleiß bei feststoffgeschmierten Rillenkugellagern. Tribologie-Fachtagung 2009, 21.-23. September 2009, Göttingen
Wohlgemuth M., Sauer B, Kümmerle T., Birkhofer H.
- The use of wear for lifetime prolongation of solid lubricated ball bearings. IJTC2009 October, 2009, Memphis, Tennessee, USA
Kümmerle, T., Wohlgemuth, M., Birkhofer, H., Sauer, B.
- Lebensdauertheorie zur Transferschmierung von feststoffgeschmierten Wälzlagern. Dissertation, TU Darmstadt VDI Verlag Düsseldorf, 2010
Bozkurt, H.
