Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodenleitfaden zur simulativen und experimentellen Bestimmung von Lager-übertragungsfunktionen bis in den akustisch relevanten Frequenzbereich

Neben der Erfüllung von Gesetzesvorschriften spielt die Akustik eine zentrale Rolle für die Produktakzeptanz und kann durch aktive Gestaltung zum Differenzierungs-merkmal eines Produktes werden. Zur Prognose des dynamischen Systemverhaltens werden zunehmend komplexere Simulationsmodelle eingesetzt. Seitens der Industrie wird jedoch berichtet, dass Systeme trotz des identischen Produktionsursprungs wahrnehmbare akustische Unterschiede aufweisen können, die mit Hilfe von Simulationen der heutigen Modellgüte nicht nachvollziehbar sind. Die Ergebnisse der Projekte FVA Nr. 682 I (NVH Simulationsmodell) und FVA Nr. 587 II (Luftschallprognose Industriegetriebe) zeigen auf, dass zum einen zur Analyse solcher Phänomene ausreichend detaillierte, validierte und zugleich rechenbare Modell¬ansätze für Maschinenelemente, insbesondere der Wälzlagerung, fehlen. Zum anderen ist in Abhängigkeit der gewünschten Aussagequalität die Wahl einer passenden Modellbildungsmethode für Wälzlager sinnvoll. Der Berechnungsingenieur muss die Entscheidung treffen, welcher Modellierungsdetailgrad und der damit verbundene zeitliche und finanzielle Aufwand zur Erfüllung anwendungsbezogener Anforderungen notwendig ist. Speziell bei KMU fehlen die für die Entscheidung notwendigen Methoden-Kompetenzen aufgrund der eingeschränkten humanen und technischen Ressourcen, sodass ein Wettbewerbsnachteil entstehen kann.

Ziele des Vorhabens sind Berechnungs- und Messverfahren für die Über-tragungsfunktion von Wälzlagern zu erforschen und detektierte Gültigkeitsgrenzen unterschiedlicher Modellierungsansätze innerhalb eines Methodenleitfadens zu bündeln. Der Leitfaden unterstützt KMUs bei der Wahl geeigneter Simulations-methoden abhängig von den anwendungsspezifischen Randbedingungen. Der Leitfaden wird Empfehlungen zur experimentellen Bestimmung der Lagerparameter beinhalten, wodurch Unternehmen mit unzureichender messtechnischer Kompetenz unterstützt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die Vielzahl aktueller Forschungsanstrengungen in Wissenschaft und Industrie zur Messung, Modellierung und Prognose des Übertragungsverhaltens von Wälzlagern insbesondere für moderne Hochgeschwindigkeitsanwendungen (z.B. elektrisch angetriebener Fahrzeuge) unterstreichen die Notwendigkeit der im Projekt durchgeführten Arbeiten. Gesamtziel dieses Projekts war die Erstellung eines Leitfadens zur Modellierung von Wälzlagerübertragungsfunktionen im Kontext der Systemsimulation.

Um das Ziel zu erreichen, wurden für den Einzelkontakt Steifigkeits- und Dämpfungskonstanten simulativ berechnet. Die Berechnungen auf Basis des CFD-Modells wurden mithilfe eines EHD-Tribometers unter dynamischer Belastung des Wälzkontakts validiert. Die Ergebnisse wurden dann mit den in der Industrie genutzten Trockenkontaktberechnungen verglichen, um die Auswirkungen des Flüssigkeitsfilms auf die Steifigkeit und Dämpfung des einzelnen Kontakts aufzuzeigen. Für den verglichenen Parameterbereich zeigte der EHD-Kontakt eine geringere Steifigkeit als der trockene Kontakt.

Aus den CFD- und Reynolds-Simulationen abgeleitete Kennfelder wurden genutzt um ein MKS-Modell eines Gesamtlagers zu erstellen. Gleichzeitig wurden die modellierten Wälzlager in Versuchen an einem Lagerprüfstand experimentell untersucht. Die Änderung der Lagersteifigkeit, die direkt Einfluss auf die Resonanzen hat, beträgt nur 3 %. Die Gesamtdämpfung des Lagers kann sich jedoch in Abhängigkeit der Drehzahl um 30 % ändern. Aus den durchgeführten Untersuchungen wurde ein Leitfaden zur Berücksichtigung von Einflüssen der Lagermodellierung auf das Ergebnis der Systemsimulation abgeleitet. Der Leitfaden wurde im letzten Arbeitspaket des Projekts exemplarisch anhand eines einstufigen Stirnradgetriebes verfolgt. Es konnte festgestellt werden, dass durch Lagermodelle mit Kontaktmodellen basierend auf CFD-Simulationen im Bereich von Resonanzen bessere Ergebnisse für die Körperschallprognose erreicht werden können.