Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Betriebsverhalten von Kegelrollenlagern in Abhängigkeit der Belastungssituation im Antriebssystem

In vielen Antriebssystemen kommen mittels Kegelrollenlagern umgesetzte angestellte Lagerungen mit sehr geringer bzw. ohne Vorspannung zum Einsatz. Eine einseitige Belastung oder, im Fall einer O-Anordnung, eine Erwärmung des Gesamtsystems kann zum axialen Betriebsspiel führen, welches das Betriebsverhalten eines bzw. beider Lager signifikant beeinflussen kann. Um das Betriebsverhalten und auch die Tragfähigkeit der Kegelrollenlager unter diesen Betriebsbedingungen besser zu verstehen, ist es nötig diese in einem System (z.B. Getriebe) unter Berücksichtigung der auftretenden Wechselwirkungen und der unterschiedlichen Belastungen zu untersuchen. In den abgeschlossenen FVA-Vorhaben 625 I und 625 II wurden die Grundlagen einer standardisierten Wälzlagerdynamiksimulation im Mehrkörpersimulationsprogramm Simpack am Beispiel von Rillenkugellagern und Zylinderrollenlagern entwickelt und umgesetzt. Durch eine modulare Erweiterung des Berechnungswerkzeugs LaMBDA auf Kegelrollenlager wird es möglich sein, Informationen über die Lagerdynamik und innere Ergebnisgrößen am Einzelkontakt unter Berücksichtigung der Belastungssituation auch für diesen Lagertyp zu bestimmen. Durch die Erweiterung sollen zudem verschiedene Detaillierungsgrade zur Berücksichtigung der Steifigkeit, Kinematik und Dynamik ermöglicht werden. Zur Validierung werden Berechnungswerkzeuge (z.B. LAGER2) herangezogen sowie experimentelle Untersuchungen durchgeführt, bei welchen als Zielgrößen das Gesamtreibmoment und der Schlupf in Abhängigkeit der axialen Vorspannkraft im Fokus stehen. Gerade für die kmU‘s bietet sich ein großer Nutzen, da diese aufgrund ihrer begrenzten personellen und finanziellen Ressourcen nicht in der Lage sind ein solches Modell eigenständig aufzubauen, um beispielsweise kritische Betriebszustände bereits im Entwicklungsprozess zu erkennen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des FVA-Vorhabens war die Entwicklung eines universellen Dynamikmodells für Kegelrollenlager zur Berechnung in SIMPACK, einem Programm zur Durchführung von Mehrkörperdynamiksimulationen (MKS). Damit sollte es auch kmU ermöglicht werden das Betriebsverhalten und die Tragfähigkeit von Kegelrollenlagern in einem System (z.B. Getriebe) unter Berücksichtigung der auftretenden Wechselwirkungen und verschiedenen Belastungen zu untersuchen.

Zur Berechnung der Inneren Lagerkräfte wurde ein Berechnungskern entwickelt. Er umfasst lagerspezifische Kontaktroutinen für jeden Kontakttyp (Wälzkörper-Laufbahn, Wälzkörper-Bord und Wälzkörper-Käfig). Neben den Berechnungsfunktionen zur Kontaktkraftermittlung sind weitere Modellierungsansätze umgesetzt. Sie ermöglichen z.B. die Berechnung von Rundheitsabweichungen der Lagerringe.

Als Ergebnis des Vorhabens steht ein benutzerfreundliches Programm LaMBDA (Lager MehrkörperBerechnung und DynamikAnalyse) für Kegelrollenlager zur einfachen Modellerzeugung und Berechnung von Kegelrollenlager zur Verfügung. Die Modellerzeugung erfolgt über eine grafische Bedienoberfläche und ist somit sehr anwenderfreundlich. Sie ermöglicht die Eingabe der Lagergeometrie, Schmierstoffdaten und Reibungsbedingungen, sowie Belastungen und Randbedingungen der Simulation. Die Lagergeometrie kann direkt in der Oberfläche eingegeben werden oder für eine Vielzahl von Lagern aus einer integrierten Datenbank geladen werden. Schmierstoffdaten sind ebenfalls aus einer Auswahl gängiger Schmierstoffe wählbar. Die Erstellung des Modelles inklusive Körper, Gelenke und Kräfte erfolgt vollautomatisch. Ein Start der Berechnung im gewählten Betriebspunkt ist demnach direkt nach der Modellerstellung möglich. Weitere Modellanpassungen können in der MKS-Umgebung erfolgen. Das Modell lässt sich einfach in bestehende Modelle integrieren um dort Wechselwirkungen mit anderen Komponenten zu untersuchen. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.