Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss von Oberflächeneindrücken auf die Lebensdauer von Wälzlagern

Obwohl die Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern mit aktuellen Verfahren bereits zuverlässig berechnet werden kann, bilden aktuelle Verfahren den Einfluss von Beschädigungen der Laufflächen auf die Lebensdauer nicht ab. Solche Schäden entstehen durch Überrollung von Partikeln sowie Schürfmarken z.B. durch die Montage. Um die dahinterstehenden Mechanismen zu verstehen, wird die Fragestellung nach eingehender Literaturrecherche und Befragung der Mitglieder der Industrie sowohl experimentell als auch simulativ untersucht. Auf experimenteller Seite werden dazu Lager mit definiert eingebrachten Beschädigungen in Lebens-dauerversuchen bis zum Ausfall gefahren. Es sind verschiedene Ansätze geplant, in denen die Parameter der Oberflächenbeschädigungen wie Tiefe, Länge und Ausrichtung der Eindrücke variiert werden. Simulationsseitig werden die elastisch-plastischen Deformationen der Eindrücke bei Überrollung nachgebildet und deren Einfluss auf die Eigenspannungen im Werkstoff untersucht. Mit einem selbstentwickelten Algorithmus, der die Theorien von Ioannides und Harris sowie das Dang-Van Kriterium berücksichtigt, werden die Eigenspannungen bezüglich ihres Einflusses auf die Lebensdauer analysiert und bewertet. Abschließend werden die Ergebnisse der Experimente und der Simulationen zu einem erweiterten Lebensdauermodell zusammengeführt und im weiteren Prozess den KMUs in der Industrie zugeführt. Diese stehen bei der Auslieferung von Maschinen und Anlage unter hohem Druck, gleichzeitig Kosten und Risiken zu minimieren. Verzögerungen in der Auftragsabwicklung wegen des Austausches betroffener Komponenten führen zu erhöhter Kapitalbindung, Konventionalstrafen und schlechter Reputation beim Kunden. Erfolgt kein Austausch und es treten im Betrieb beim Kunden vorzeitige Ausfälle auf, dann sind damit hohe Gewährleistungskosten und erhöhte Versicherungsprämien verbunden.

Ergebniszusammenfassung:

Beschädigungen der Laufflächen von Wälzlagern in unterschiedlicher Ausprägung sind in der Praxis häufig und in einigen Fällen nur schwer vermeidbar. Sie können durch Überrollen von Partikeln aus Verunreinigungen im Schmierstoff, aber auch während des Fertigungs- und Montageprozesses oder spezieller Betriebszustände entstehen. Im ersten Fall handelt es sich um zufällige Eindrücke, letztere sind z.B. als Hieb- und Schürfmarken oder Eindrücke von Wälzkörpern in die Laufbahnen sichtbar. Es ist bekannt, dass dadurch eine Verringerung der Ermüdungslebensdauer möglich ist, insbesondere, wenn durch plastische Verformungen Randaufwürfe entstanden sind. Allerdings ist für den Anwender nur schwer zu beurteilen, ob eine konkret vorliegende Laufflächenbeschädigung kritisch ist und eine weitere Verwendung des Lagers zulässt. Das hier vorgestellte Forschungsvorhaben hat zum Ziel, die Wirkung von Eindrücken, Hieb- und Schürfmarken unterschiedlicher Form und Abmessungen qualitativ und quantitativ vorhersagen und beurteilen zu können.

Im Rahmen des Vorhabens konnte gezeigt werden, dass der Einfluss von Vorschädigungen auf die Ermüdungslebensdauer unter den getroffenen Annahmen im Teilschmierungsgebiet eine untergeordnete Rolle spielt. Im Vollschmierungsgebiet konnte hingegen eine deutliche Lebensdauerreduzierung festgestellt werden. Die experimentellen Ergebnisse konnten ebenfalls mit den Berechnungsmodellen nachvollzogen werden. Die Ergebnisse der Berechnungen sind im Vergleich zu den Versuchen eher konservativ und ergeben eine geringere Ermüdungslebensdauer.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.