Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Vorhersage der Eignung von Wälzlagerfetten in der Robotertechnik

Geschmierte Elemente in der Robotertechnik müssen zum einen niedrige und über die Schmierstoffgebrauchsdauer konstante Reib- und niedrige Losbrechmomente garantieren, zum anderen dürfen die eingesetzten Schmierstoffe durch die wechselnden Belastungen keiner erhöhten Alterung unterliegen und die geschmierten Bauteile sollen über die gesamte projektierte Gebrauchsdauer verschleißarm arbeiten. Der Schmierstoff stellt ein wichtiges Stellglied zur Sicherung von Leistungsfähigkeit, Arbeitsgeschwindigkeit, Positioniergenauigkeit, Energieeffizienz und Verfügbarkeit dar. Hier soll das vorgeschlagene Vorhaben ansetzen, in dem das Reibungs- und Temperaturverhalten und damit die Eignung der Fette für den Einsatzzweck modelliert und vorhersagbar gemacht werden soll. Die Reibung fettgeschmierter Lager kann heute nur mit teilempirischen Ansätzen berechnet werden. Gründe hierfür sind Starvation bei hohen Drehzahlen oder kleinen Reversiervorgängen und Verluste in der Fettstruktur außerhalb der Wälzkontakte. Alle Vorgänge sind von der Rheologie des Fettes und seiner Bestandteile sowie, von den physikalischen Wechselwirkungen zwischen Verdickerstruktur, Grundöl und zwischen den Fettbestandteilen und Festkörperoberflächen bestimmt. Hier fehlen noch physikalisch begründete Modelle. An den Forschungsstellen IMKT und ITR soll diese Lücke geschlossen werden. Ergebnis ist die Verzahnung von CFD-Simulation, Labor-Messungen und experimentellen Untersuchungen an Prüfständen. Voraussetzung ist die Formulierung, Verifizierung und Implementierung geeigneter rheologischer und physikalischer Modelle für Fette sowie die fluoreszenzoptische Beobachtung der Fettverteilung und -bewegung. Es profitieren KMU die bereits im Entwicklungsprozess Vorhersagen über die Schmierstoffeignung nutzen können. Somit sinken Entwicklungszeiten bei gesteigerten Innovationen. Somit steigen die Wettbewerbsfähigkeit und die Flexibilität die im Zuge der Industrie 4.0 von zunehmender Bedeutung sind.

Der unmittelbare Nutzen für KMU ergibt sich durch die Vorausbewertung der auf dem Markt angebotenen Schmierstoffe. Wenn die geplante Klassifizierung in Eignungsklassen dem Anwender eine einfache Methode zur Fettauswahl an die Hand gibt, kann diese zusätzlich in eine Richtlinie oder Norm eingearbeitet werden.

Darüber hinaus trägt das Vorhaben zur Erreichung der volkswirtschaftlichen Ziele Energie- und Ressourceneffizienz sowie Erhaltung der Mobilität bei.

Ergebniszusammenfassung:

Mit dem weit verbreiteten Einsatz von Robotern in der Industrie arbeiten immer mehr Lager unter oszillierenden Bedingungen mit Fettschmierung. Der Einfluss von Fettparametern auf die Schmierleistung von Lagern bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln und -frequenzen ist jedoch noch nicht vollständig untersucht worden.

In diesem Projekt wurden 8 Arten von Schmierfetten bei verschiedenen Frequenzen und Amplituden untersucht. Das Reibungsmoment und die mikroskopische Darstellung des Lagerverschleißes wurden zur Bewertung der Schmierleistung herangezogen. Außerdem wurden einige Verifizierungsexperimente mit verschiedenen Lasten, Lagertypen und variierender Fettmenge durchgeführt.

Einige rheologische Messungen wurden durchgeführt, um die Fette zu modellieren. Durch diese Tests wurde die Beziehung zwischen den rheologischen Parametern und der Schmierleistung der Fette in Lagertests ermöglicht. Die Auswahlkriterien für Schmierfette unter Schwingungsbedingungen wurden zunächst festgelegt. Die rheologischen Tests bildeten auch die Grundlage für eine CFD-Simulation.

Mithilfe dieser CFD-Simulation konnte die Fettverteilung in einem realen Lager abgebildet werden, was zur Berechnung des Reibungsverlustes verwendet werden kann. Damit konnten auch einige experimentelle Phänomene über den Einfluss des Käfigs und der Rotation der Kugel auf die Fettverteilung besser erklärt werden.

Abschließend wurden einige gängige Methoden zur Verbesserung der Schmierung erprobt. Dazu gehören das Vorscheren und die Lagerabdichtung. Ein neuartiges feststoff-geschmiertes Lager wurde getestet und zeigte gute Leistungen.

Durch die Arbeiten ist es möglich mithilfe der kritischen Fettparameter Ausblutrate, Grundölviskosität und Verhalten im Tacktest eine Abschätzung über die Leistungsfähigkeit im oszillierend betriebenen Wälzlager zu erlauben. Der dominiere Mechanismus bezüglich Reibung und Verschleiß ist hierbei die Versorgung des Kontaktes mit Fett.