Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern unter Schwenkbewegungen

Wälzlager unter Schwenkbewegungen kommen in einer Vielzahl von Anwendungen vor. Für deren Auslegung existieren jedoch keine verifizierten Berechnungsmethoden. Stattdessen erfolgt eine Umrechnung der Schwenkbewegungen in kontinuierliche Umdrehungen und eine anschließende Auslegung nach DIN ISO 281 beziehungsweise DIN 26281. Das Ziel dieses Vorhabens ist es somit, ein validiertes Berechnungsverfahren der Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern unter Schwenkbewegungen zu entwickeln.

Neben einer systematischen Literaturanalyse sind im Rahmen des Vorhabens experimentelle Versuche an einem speziell entwickelten Prüfstand durchzuführen. Es soll dadurch bestimmt werden, ob bei sehr kleinen Schwenkwegen Werkstoffermüdung noch der dominierende Schadensmechanismus ist, oder ob es eine Grenze gibt, ab der primär Verschleißausfälle auftreten. Diese Grenze soll genauer spezifiziert werden. Es wird weiterhin untersucht, welche Lebensdauern von ausgewählten Wälzlagern unter bestimmten kleinen Schwenkbetriebsbedingungen erreicht werden und ob die bisher verwendeten Berechnungsansätze zur Abschätzung der Ermüdungslebensdauer zutreffend sind. Die durchgeführten Versuche sind geeignet statistisch auszuwerten und die erzeugten Lagerausfälle in Form von Schadensanalysen zu charakterisieren. Darauf aufbauend ist ein Berechnungsansatz zu formulieren, der das Ermüdungsverhalten von Wälzlagern korrekt beschreibt. Dieser ist so zu gestalten, dass eine Implementierung in Lager 2 und eine einfache Handhabung durch den Konstrukteur bei der Lagerauslegung gegeben ist. Vor allem für KMUs ist ein solches Berechnungsverfahren von großem Nutzen, da so kostenintensive Vorversuche vermieden werden, trotzdem aber eine zuverlässige Lagerauslegung möglich ist, was zur Reduktion von Ausfällen und Stillstandzeiten führt und somit Ressourcen schont und Kosten spart. Vor allem im Bereich der Windenergieanlagen werden die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse dringend benötigt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Projektes sollte untersucht werden, inwiefern die klassische Ermüdungstheorie mit ihren Wirkmechanismen sowie die Berechnungsformeln für die Ermittlung der rotierenden Lebensdauer auch bei Schwenkbewegungen angewendet werden kann. Die Lebensdauerberechnung für den rotierenden Betrieb ist genormt und findet weltweit Anwendung, für den schwenkenden Betrieb gibt es jedoch keine genormte Berechnung, sondern nur verschiedenen Berechnungsansätze die nicht validiert sind. Die Ursache für die Ermüdung ist die dynamische Beanspruchung des Werkstoffes beim Überrollvorgang, die Höhe der Beanspruchung bestimmt hierbei den Zeitpunkt ab wann die Ermüdung eintritt. In diesem Fall kommt es zu einer Rissbildung unterhalb der Oberfläche, welcher sich bis zu dieser fortpflanzt und es dann dort zu einem Ausbruch kommt.

In diesem Projekt wurde erfolgreich gezeigt, dass die Wirkmechanismen der klassischen Ermüdungstheorie auch bei Schwenkbewegungen auftreten. Mit den erzeugten Ermüdungsschäden kann gezeigt werden, dass Verschleiß nicht der alleinige Ausfallschaden bei kleinen Schwenkwinkeln (x/2b = 1) ist und Ermüdung möglich ist. Weiterhin konnte über die Berechnung der Mindestlebensdauer gezeigt werden, dass die bestehenden Berechnungsansätze noch modifiziert werden müssen.

Die Entwickelung eines eigenen Berechnungsansatzes oder die Validierung eines bestehenden Berechnungsansatzes ist jedoch noch nicht möglich, da die Anzahl der durchgeführten Versuche aufgrund des hohen Zeitbedarfes noch zu gering ist. Da jedoch gezeigt werden konnte, dass Ermüdung mit den gewählten Versuchsparametern und Prüfstand möglich ist, kann die Validierung oder Entwicklung eines Berechnungsansatzes mit mehr Versuchen in einem Folgeprojekt stattfinden.