Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung experimentell validierter Berechnungsverfahren zur Modellierung der Interaktion kombinierter Radial-Axialgleitlager in mittelschnelllaufenden Maschinen

Die Erhöhung der Leistungsdichte durch kompakte Bauweisen und eine gleichzeitig effizientere Nutzung der Komponenten einer Maschine beschreibt das Ziel zahlreicher Optimierungen. Im Bereich hydrodynamischer Gleitlager führt dies zum Einsatz kombinierter Radial-Axialgleitlager, deren Betriebseigenschaften zurzeit nicht durch wissenschaftlich anerkannte Berechnungsverfahren beschrieben werden können.

Das Forschungsprojekt hat daher die Entwicklung experimentell validierter Berechnungsverfahren zur theoretischen Beschreibung der komplexen, nichtlinearen Interaktion von radialen und axialen Teilbereichen kombinierter Gleitlager über Volumen- und Wärmeströme zum Ziel. Zur Abbildung dieser Vorgänge in der Simulation werden notwendige Erweiterungen der Gleitlagermodelle vorgenommen. Nachfolgend werden zwei unterschiedliche numerische Herangehensweisen zur Beschreibung der Interaktion der Lagerteilbereiche untersucht und hinsichtlich Detailgrad, Aussagensicherheit und numerische Stabilität bewertet. Darüber hinaus werden umfangreiche Versuche auf einem erweiterten Gleitlagerprüfstand an verschiedenen Kombilagervarianten durchgeführt, mit Hilfe derer Validierungsdaten in breiten Parameterbereichen ermittelt werden. Dabei werden systemspezifische Größen, die die Kopplung zwischen Radial- und Axialteil in deren Übergangsbereichen charakterisieren, erfasst. Auf Basis dieser Daten werden umfangreiche Validierungsuntersuchungen und Parameterstudien durchgeführt, um ein zuverlässiges und robustes Berechnungsverfahren zu entwickeln, das nachfolgend in einem Berechnungswerkzeug umgesetzt wird.

In Kombination mit dem erweiterten Systemverständnis liefert dies den KMU die Möglichkeit, die komplexen Wechselwirkungen der Teilbereiche kombinierter Radial-Axialgleitlager zuverlässig im Entwicklungs-, Optimierungs- oder Konstruktionsprozess zu berücksichtigen, wodurch ihre Position als wichtiger Zulieferer und Berater mit hohem Spezialwissen gestärkt wird.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Berechnungsmodelle für kombinierte Radial-Axialgleitlager entwickelt, die auf einer iterativen und auf einer monolithischen Kopplung von Gleitlagerberechnungsmodellen für ursprünglich alleinstehende Radial- und Axiallager beruhen. Durch den Abgleich simulativer und experimenteller Parameterstudien wurden diese Modelle validiert.

Der zu Beginn existierende Gleitlagerprüfstand wurde erweitert. Außerdem wurden die Prüflager für die experimentellen Untersuchungen angepasst und mit Sensorik ausgestattet.

Im Zuge der simulativen Arbeiten wurde ein iteratives Berechnungsverfahren entwickelt. Hier wird über mittlere Druck- und Temperaturverteilungen sowie mittlere Volumen- und Wärmeströme gekoppelt. Die Koppelgrößen werden dabei als Randbedingungen für Einzellagerberechnungen vorgegeben. Im Anschluss wurde das monolithische Berechnungsverfahren entwickelt. Hier werden die zu lösenden Gleichungssysteme der Lagerteile über geeignete Koppelgleichungen zu einem gemeinsamen Gleichungssystem fusioniert. Dies ermöglicht eine örtliche Auflösung der Koppelgrößen, eine erhöhte numerische Stabilität sowie deutlich beschleunigte Rechenzeiten.

Der Ergebnisabgleich experimenteller und simulativer Parameterstudien zeigt hohe Korrespondenzen der gemessenen und berechneten Ergebnisse. Dies gilt sowohl für lokale Temperaturverteilungen, als auch für Drehzahl-Last-Kennlinen ausgewählter Lagerkenngrößen.

Die somit experimentell validierten Berechnungsverfahren erlauben die zuverlässige Berechnung kombinierter Radial-Axialgleitlager. Ihre Betriebsgrenzen können mit ausreichender Sicherheit bestimmt und ihr Potential umfänglicher genutzt werden. Im Kontext der Gesamtmaschine ermöglicht diese leichtere und kompaktere Bauweisen, also eine erhöhte Leistungsdichte und somit eine effizientere Energie- und Ressourcennutzung.

Das Forschungsziel wurde erreicht.