Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vorgespannte Zylinderrollenlager – Extremwerte und Grenzen

Durch die bewusste Aufbringung einer Vorspannung auf Wälzlager kann deren Ermüdungslebensdauer erhöht werden. Eine Verkleinerung des Betriebsspiels bis hin zu negativen Werten bewirkt eine günstigere Lastverteilung mit geringeren, maximalen Kontaktpressungen im Lager. Gleichzeitig verringert sich die Größe der unbelasteten Zone, wodurch Umfangsschlupf und damit die Gefahr von Schlupfschäden oder durch Schlupf begünstigte Mechanismen verringert oder vermieden wird. Im abgeschlossenen Vorgängervorhaben wurde experimentell und theoretisch ein Überblick über das Betriebsverhalten von Zylinderrollenlagern mit positivem und negativem Betriebsspiel erarbeitet. Die Arbeiten zeigten positive Aussichten für die Anwendbarkeit radialer Vorspannungen bei Zylinderrollenlagern, weshalb nun weitere Arbeiten vorgesehen sind, um eine weitreichende industrielle Umsetzbarkeit zu unterstützen.

Ziel des Vorhabens ist es, die bislang bei der Betrachtung der Lastverteilung im Lager getroffenen Vereinfachungen bezüglich der Steifigkeit von umgebenden Bauteilen zu untersuchen und durch geeignete Beschreibungsansätze zu ersetzen. Diese können wiederum zur Erweiterung des Ansatzes zur Berechnung lebensdaueroptimierter Betriebsspiele des Vorgängervorhabens genutzt werden. Verschiedene Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten radial vorgespannter Zylinderrollenlager und das Auftreten instationärer Betriebszustände sollen experimentell und mit Hilfe thermisch-mechanischer Modellierungen erforscht und in Richtlinien umgesetzt werden. In enger Zusammenarbeit mit den beteiligten Firmen sollen Lösungen zum praktischen Einsatz radial vorgespannter Zylinderrollenlager erarbeitet werden.

Die Ergebnisse des Vorhabens werden zur direkten Anwendung im industriellen Umfeld aufbereitet. Davon profitieren vor allem kmUs, die keine Ressourcen zur Durchführung eigener Forschung zum Einsatz radial vorgespannter Zylinderrollenlager bzw. Zugang zu präzisen Möglichkeiten der Vorspannungsbestimmung besitzen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben wurde experimentell und theoretisch das Betriebsverhalten von Zylinderrollenlagern unter extremen Vorspannungen betrachtet um mögliche Einsatzgrenzen zu detektieren. Die betrachteten Betriebsbedingungen überstiegen dabei denen von Wellenlagerungen üblicher antriebstechnischer Komponenten.

Mit bereiten Betriebsparameterfeld konnten keine instationären Zustände beobachtet werden. Auch mit einer zusätzlichen Steigerung der Drehzahl und dem Erzwingen gesteigerter Temperaturdifferenzen mithilfe einer Außenringkühlung konnten keine kritischen Zustände detektiert werden. Erst unter geänderten thermischen Umgebungsbedingungen konnte ein kritisches Verhalten mit hoher Drehzahl und Vorspannung nachgewiesen werden.

Durch den Aufbau eines FEM-Modells konnte mithilfe der Berechnung einer Ersatzsteifigkeit die Nachgiebigkeit der Lagerumgebung abgebildet werden. Die modifizierte Berechnung der Lastverteilung zeigte für alle Vorspannungsbereiche eine hohe Übereinstimmung. Parallel konnten die Lagerumgebung sowie das Versuchslager unter Verwendung thermischer Widerstände modelliert werden. Eine Verknüpfung des thermischen und mechanischen Modells unter Berücksichtigung einer nachgiebigen Umgebungsstruktur ermöglicht die Berechnung transienter Temperaturverteilungen. Eine Validierung anhand der Messwerte zeigt ebenfalls eine hohe Überdeckung, vor allem in den Bereichen der stationären Zustände.

Theoretische Betrachtungen zeigten den Einfluss unterschiedlicher Lagerumgebungsstrukturen unter Berücksichtigung der Passungsauswahl auf das Montagespiel. Für sehr steife Umgebungsstrukturen wird das Übermaß an den jeweiligen Lagersitzen zu einem großen Teil an die Laufflächen übertragen. Für hohe Grundtoleranzgrade in Kombination mit der Toleranzverkettung aus den einzelnen Komponenten ergibt sich ein sehr breites Toleranzfeld für das Montagespiel. Zudem können infolge großer Aufweitungen hohe initiale Ringspannungen induziert werden.

Das Ziel des Forschungsziel wurde erreicht.