Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss der Nachgiebigkeit von Lagergehäuse und deren Anschlusskonstruktion auf das Wanderverhalten von Wälzlagern

Lagergehäuse und deren Anschlusskonstruktionen werden aufgrund ökonomischer und technischer Forderungen zunehmend dünnwandiger gestaltet. Infolge dessen werden die Lagergehäuse nachgiebiger. Die Praxis zeigt, dass die damit einhergehenden größeren Verformungen eine Wanderbewegung von Wälzlagerringen begünstigen.

Wanderbewegungen in nachgiebigen Lagergehäusen können durch heutige Methoden nicht präzise berechnet werden. Diese Einschränkung führt in der Praxis zu Unsicherheiten bei der Auslegung mit der Folge von Überdimensionierungen oder gar Schadensfällen durch Wälzlagerwandern.

Die zur Schließung der Wissenslücke erforderlichen Untersuchungen sollen, ausgehend von einer starren Anschlusskonstruktion mit Wälzkörperlastverteilung nach DIN ISO 16281, schrittweise einer nachgiebigen Anschlusskonstruktion mit externer Deformation angenähert werden. Die auftretenden Effekte infolge einer realitätsnahen Wälzkörperlastverteilung, einer erhöhten Nachgiebigkeit der Gehäusestruktur und externer Deformationen werden mittels umfangreicher FE-Analysen ermittelt. Die Ergebnisse der numerischen Analysen werden anhand von begleitenden experimentellen Modell-Untersuchungen validiert. Darauf aufbauend werden erweiterte Berechnungsmodelle und eine Analyseguideline mit einer präzisen Beschreibung der Modellierungsstufen erstellt.

Mit den Projektergebnissen ist der Entwicklungsingenieur erstmals in der Lage, wanderkritische Wälzlager in Lagergehäusen mit nachgiebiger Anschlusskonstruktion und externer Deformation zu identifizieren und gezielt die Wanderneigung zu beeinflussen.

Außerdem rundet die Auflösung des aufgezeigten Forschungsproblems die bisherigen Forschungen auf diesem Gebiet des Wälzlagerwanderns ab und ermöglicht die Etablierung eines allgemeingültigen Berechnungsstandards.

Eine Erarbeitung von Berechnungsmodellen und deren programmtechnische Umsetzung können KMU ressourcenbedingt nicht leisten, weshalb die Gemeinschaftsforschung hierfür sehr gut geeignet ist.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben 20643 BG wurde das Wälzlagerwandern unter Einfluss der Nachgiebigkeit des Gehäuses und dessen Anschlusskonstruktion untersucht. In der Praxis tritt zum einen das klassische wälzkörperinduzierte Wandern durch die radiale Lagerbelastung auf. Zum anderen resultiert aus den externen Kräften an der Anschlusskonstruktion des Gehäuses das sogenannte strukturinduzierte Wandern.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sind grundlegende experimentelle Erkenntnisse hinsichtlich des klassischen wälzkörperinduzierten Wanderns unter Berücksichtigung eines dünnwandigen Gehäuses erzielt worden. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde eine realitätsnahe Simulationsmethodik zur Bestimmung der Wanderneigung entwickelt und mit experimentellen Ergebnissen abgeglichen.

Das strukturinduzierte Wandern konnte mit dem neu konzipierten Prüfstand nachgewiesen werden. Dies gilt auch für die parallel entwickelte Simulationsmethodik. Zur finalen Validierung der Simulationsmethodik sind noch einige ausgewählte Versuche erforderlich.

Um einen Lagersitz hinsichtlich der beiden Wandermechanismen ohne aufwändige FE-Simulationen untersuchen zu können, wurde die im Programm SimWag2.2Z88 integrierte Berechnungsmethodik um den Effekt der Gehäusenachgiebigkeit unter Einfluss externer Anschlusskonstruktionen erweitert und so auf die Version SimWag3.0Z88 angehoben. Der Vergleich aller Ergebnisse mit den unterschiedlichen Untersuchungsmethoden und mit Industriebeispielen zeigte, dass die Ergebnisse aus SimWag3.0Z88 stets konservativ sind. Daher ist eine weitere Anpassung des Berechnungstools noch geplant.

Nach abschließender Validierung von SimWag3.0Z88 bezüglich wälzkörper- und strukturinduziertem Wandern steht dem Anwender ein Auswahldiagramm zur Verfügung, in dem die Gültigkeitsgrenzen der entwickelten Untersuchungsmethoden (SimWag2.2Z88, SimWag3.0Z88, FE-Umlaufsimulation) festgelegt sind. Die Beschreibung der praktischen Vorgehensweise soll in Form einer Analyseguideline erfolgen.