Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss kurzfristiger Überlasten auf die Lebensdauer von Wälzlagern

Kurzfristige Überlasten in Wälzlagern können z. B. bei Windenergieanlagen durch starke Windböen verursacht werden. Dies hat lange Standzeiten mit hohen Kosten (Außerbetriebnahme, Austausch, Reputationsverlust) zur Folge. Gerade KMU können solche Kosten nur schwer abfangen. Bei der Beurteilung der Lebensdauer von Wälzlagern wird der Einfluss von Lastkollektiven mithilfe der linearen Schadensakkumulationshypothese nach PALMGREN und MINER berechnet, wobei der Einfluss von Überlasten nicht berücksichtigt wird. Ziel ist es, diesen Einfluss an Wälzlagern in industriellen, großtechnischen Anlagen (≥ 150 mm Bohrung) zu untersuchen.

Hinweise auf die Wirkmechanismen lassen sich bei FRENCH finden, der eine Verringerung der Ermüdungslebensdauer aufgrund von Überlasten bei Zahnrädern feststellt. Die von ihm entwickelte Schadenslinie, mit der sich das Verhalten beschreiben lässt, ließe sich auch für Wälzlager ermitteln. Dazu werden die Lager mit Grundlasten unterhalb der Ermüdungsgrenze und kurzzeitigen Überlasten im Bereich von 4 GPa belastet. Es werden mehrere Versuchsansätze durchgeführt, um die Anteile beider Belastungsarten an der Gesamtlaufzeit zu variieren. Zwei Versuchsreihen dienen als Referenzreihe und werden jeweils ausschließlich mit der Grundlast bzw. der Überlast beaufschlagt. In regelmäßigen Abständen werden Lager entnommen, um den Schadensfortschritt metallografisch zu untersuchen. Um die Schadensentstehung in größerer Stückzahl untersuchen zu können, werden zusätzlich kleinere Lager (30 mm Bohrung) ebenfalls mit Entnahmen betrieben. Versuchsbegleitend werden Simulationen durchgeführt, die den lebensdauermindernden Effekt der Überlasten nachbilden. Mit geeigneten Lebensdaueransätzen werden die Spannungsverhältnisse hinsichtlich der Ermüdungslebensdauer bewertet.

Das Ziel ist es eine einfach zu verwendende Berechnungsvorschrift zu entwickeln, mit der die bestehenden Lebensdaueransätze nach DIN 281 in Anlehnung an den aISO-Faktor ergänzt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Als Arbeitshypothese wurde davon ausgegangen, dass kurzzeitig wirkende Überlasten in Höhe von maximal 3,8 GPa im Kontakt Wälzkörper-Innenring Risse an nicht-metallischen Einschlüssen im Material initiieren. Wenn diese Risse innerhalb der Überlastphase eine überkritische Länge erreichen, wachsen sie auch trotz nachfolgend unterkritischer Last weiter und können einen frühzeitigen Ausfall der Lagerung verursachen, was die DIN ISO 281 bislang nicht abdeckt.

Als Forschungsziel sollte damit die Frage beantwortet werden, ob kurzzeitig auftretende Überlasten zu Frühausfällen von Wälzlagern in industriellen und großtechnischen Anwendungen führen können.

In den Untersuchungen wurden die im Feld über die Gesamtlebensdauer zyklisch auftretenden Überlasten im Bauteilversuch kumuliert und in einer einzigen zeitlich zusammenhängenden Periode zu Beginn des Versuchs aufgeprägt. Der Fokus der Untersuchungen wurde somit auf den Nachweis eines grundsätzlichen Effektes von Überlasten auf die Lebensdauer gelegt. Dazu wurden Prüflinge mit einer initialen Überlast von 3.8 GPa maximaler Pressung im Kontakt Wälzkörper-Innenring beaufschlagt und danach mit einer geringeren Grundlast von 2.5 GPa weiterbelastet.

Begleitend zu den Versuchen wurden simulative Untersuchungen durchgeführt, deren Ziel es war, die im Werkstoff auftretenden Beanspruchungen vorherzusagen und mit gängigen Ermüdungs- bzw. Schadensansätzen den Einfluss der Überlasten auf die Schadensakkumulation abzubilden. Durch die enge Verknüpfung zwischen Versuch, Analyse und Simulation ist eine Verifikation der Berechnungsmodelle erfolgt.

Es ist während der Versuche zu keinen Frühausfällen gekommen. Ein lebensdauerreduzierender Effekt durch die aufgeprägte Überlast ist gegenüber der klassischen Vorgehensweise der Lebensdauerberechnung nicht festzustellen.

Somit wurde das Ziel des Forschungsvorhabens erreicht.