Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung von Oberflächenmutationen und Folgeschäden an Wälzoberflächen durch Stromdurchgang

In vielen drehzahlvariablen, umrichtergesteuerten E-Motoren, Generatoren und in der Peripherie des Antriebsstranges treten Schäden verursacht durch schädlichen Stromdurchgang auf. Diese führen zu unerwünschten und kostenintensiven Systemausfällen. Bekannte strombedingte Schäden sind Kraterbildung auf der Lagerlaufbahn, Riffelbildung quer zur Laufbahn sowie Verbrennung des Schmierstoffes in der Kontaktzone zwischen Wälzkörper und Lagerlaufbahn, bzw. auf den Zahnflanken eines Zahnrades. Infolge der E-Mobilität gewinnt diese Thematik zunehmend an Bedeutung. Eine Forschungslücke besteht u.a. in dem Bereich der Oberflächenmutation durch Stromdurchgang und den damit einhergehenden Folgeschäden der Wälzflächen. Deswegen sollen im Projekte die Oberflächenveränderungen (Krater und Riffel) simulativ und experimentell untersucht werden. Hierzu werden Versuchsbedingungen hergeleitet bei denen gezielt Riffel erzeugt werden können und im Anschluss einzelne Versuchsparameter wie die Wuchtgüte variiert. Die hier auftretende Oberflächenveränderung dient als Eingangsgröße für ein Mehrkörpersimulationsmodell eines Wälzlagers mit dessen Hilfe dann der Einfluss der Laufbahnveränderung auf die Kontaktpressung als auch die damit einhergehende Schwingungsanregung des Wälzkörpers untersucht werden kann. Mit den Ergebnissen aus dem Projekt wird der Konstrukteur in die Lage versetzt das Gesamtsystem in Abhängigkeit der Systemeigenschaften (Lagerspannung, Lagerstrom, Lagerimpedanz, Drehfrequnez, Schaltfrequenz, Schwingungsanregung, Wuchtgüte, Last, Drehzahl und Temperatur) so zu konfigurieren, dass die Kraterbildung und die Riffelbildung auf der Oberfläche der Wälzlager berücksichtigt sind. Insbesondere KMUs haben mit den gewonnenen Erkenntnissen die Möglichkeit ihre Auslegemethoden für elektrisch beanspruchte Wälzlager zu optimieren und gezielt Abhilfemaßnahmen für ihre Anwendungen auszuwählen. Das kann die Anzahl der Ausfälle reduzieren und zur Effizienzerhöhung und Kostenersparnis führen.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Vorhaben hat sich herausgestellt, dass weder die statische Unwucht des Rotors noch abrupte Drehzahländerungen im Antrieb einen erheblichen Einfluss auf die Riffelbildung haben. Darüber hinaus führen Stromfluss und Riffelung nicht zu einer signifikanten Erhöhung des Radialspiels des Lagers, sodass eine erhöhte Neigung zu Schwingungen nicht nachvollziehbar ist.

Daraus lässt sich schlussfolgern, dass in der industriellen Anwendung eine erhöhte Unwucht und variable Drehzahl nicht unbedingt zu Riffelbildung bei Stromdurchgang führen müssen. Aus diesem Grund wurden spezifische, für den industriellen Einsatz relevante Belastungsparameter des Lagers hinsichtlich der Riffelbildung an Einzellagerprüfständen untersucht: Gleichstrom gegen Wechselstrom, Wechsel der Polarität bei Gleichstrom, Lagerstromdichte, Drehzahl, Lagertemperatur und Art des Schmierstoffs. Insbesondere bei Gleichstromflüssen zeigte sich, dass Riffel, besonders bei negativer Lagerpolarität, schneller entstehen als bei Wechselstrom, insbesondere bei ausreichend hohen DC-Lagerstromdichten Jb > 1 A/mm².

In Experimenten mit zwei unterschiedlichen Prüfständen und Schmierstoffen (mineralölbasiertes Fett und Polyglykol-Öl) wurden ähnliche Tendenzen bezüglich der Wahrscheinlichkeit der Riffelbildung festgestellt: eine erhöhte Lagerstromdichte, negative Strompolarität, geringere Lagerkraft, höhere Drehzahl, niedrigere Lagertemperatur und eine größere Anzahl von Kugeln pro Lager erhöhen die Riffelbildungswahrscheinlichkeit. Grundlagenexperimente ergaben, dass ohne Schmierung keine Riffel, sondern eine eine rauere Lauffläche mit signifikant erhöhtem Materialabtrag entsteht. Die Art des Schmierstoffs kann zudem die Geschwindigkeit der Riffelbildung beeinflussen. Diese Befunde liefern neue Einblicke in die Mechanismen der Riffelbildung, ohne den Entstehungsprozess vollständig zu klären. Begleitende Simulationen konnten die Auswirkungen einer angenommenen Riffelung auf das Vibrationsverhalten nachzeichnen.