Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lagerverluste bei fettgeschmierten Wälzlagern durch die im Schmierfett entstehende Walkarbeit im Kontext der Schmierfettrheologie und deren Auswirkungen auf die Schmierfettverteilung

In bekannten Vorschriften zur Berechnung der Reibung in fettgeschmierten Wälzlagern wird die Schmierfettwalkarbeit unzureichend berücksichtigt. Diese hat jedoch insbesondere in Hochdrehzahlanwendungen (z. B. Elektromobilität, Werkzeugmaschinen) einen hohen Einfluss, so dass aktuell die Lagergesamtreibung und entstehende Lagertemperaturen nicht korrekt berechnet werden können. Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung der Wechselwirkungen zwischen Schmierfetteigenschaften, Schmierfettmenge sowie der Lagerbauart auf die Lagerverluste durch Walkarbeit und somit auf die Temperaturentwicklung im Lager. Mit Hilfe von 3D-CFD-Simulationen sollen in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Schmierfetteigenschaften die Fettverteilung und Walkarbeit für unterschiedliche Lagerbauarten bestimmt werden. Die Simulationsergebnisse werden anschließend durch Walkarbeits- und Fettverteilungsmessungen auf einem Spezialtribometer validiert. Darüber hinaus werden auf weiteren Prüfständen experimentelle Untersuchungen der Walkarbeit in verschiedenen Lagerbauarten, mit unterschiedlichen Fetten bei horizontaler und vertikaler Wellenanordnung sowie bei Drehzahlen bis zu 18.000 1/min erfolgen, um darauf aufbauen Haupteinflussparameter und wenn möglich Ansätze zu Berechnung der Walkarbeit abzuleiten. Weiterhin wird auf Basis eines weit verbreiteten Rotationstribometers eine industrietaugliche Prüfvorschrift zur Ermittlung der Walkarbeit erarbeitet. Der Nutzen insbesondere für KMU besteht darin, dass zukünftig mit Hilfe von einfachen Gleichungen die Walkarbeit von Schmierfetten und somit die Gesamtlagerreibung genauer berechnet werden kann. Dadurch lassen sich Lagertemperaturen sowie die Fettgebrauchsdauer exakter vorhersagen. Durch die Identifizierung von Schmierfetteigenschaften, welche maßgeblich die Walkarbeit beeinflussen, können gezielt neue reibungsarme Schmierfette entwickelt werden, wodurch Lagertemperaturen, Energieverbrauch und CO2-Emission reduziert und die Fettgebrauchsdauern erhöht werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die schmierfettbedingte Walkarbeit kann insbesondere bei hohen Drehzahlen (Elektromobilität oder Werkzeugmaschinen) zu erhöhten Wärmeeinträgen durch das Walken des Fettes und dadurch zu einer Verkürzung der Schmierfettgebrauchsdauer führen.

Zur Klärung der Mechanismen und Einflussfaktoren wurden einerseits Wälzlagerversuche durchgeführt und andererseits ein Modell für die CFD-Simulation entwickelt und später beides gegenübergestellt. Für die Wälzlagerversuche wurde eine Methodik erarbeitet, mit der die Walkarbeit in zahlreichen Betriebspunkten quantifiziert werden konnte. Dabei konnte sowohl das jeweilige Maß als auch zahlreiche Abhängigkeiten der Walkarbeit aufgezeigt werden. Zu den variierten Faktoren und den daraus ermittelten Abhängigkeiten zählen die Temperatur, die Schmierfettrheologie, die Drehzahl, die Wälzlagerkinematik sowie die eingesetzte Fettmenge im Wälzlager. Anhand der Versuche konnte gezeigt werden, dass häufig die Konfiguration aus Wälzlager, Schmierfett und Drehzahl maßgeblich für die Ausprägung der Walkarbeit ist. So entstand mit einem Prüffett und dem Radialrillenkugellager eine sehr hohe Walkarbeit, wohingegen das gleiche Fett mit einem Schrägkugellager kaum messbare Walkarbeit lieferte.

Da die Fettverteilung im Wälzlager als wesentlicher Faktor für die Walkarbeit gilt, wurde das Fließverhalten der beiden Fette genauer untersucht. So wurden an einem Spezialtribometer die optische Fettverteilung mithilfe einer Highspeed-Kamera untersucht. Die generierten Bilder dienten dabei als Validierungsmöglichkeit für die 3D-CFD-Simulation fettgeschmierter Wälzlager. Außerdem fanden zahlreiche rheologische Untersuchungen statt, wobei besonders der Kegel-Platte-Normversuch nach DIN 51810-1 analysiert wurde. Hiermit wurde ein Modell zur Beschreibung des Fließverhaltens von Fetten entwickelt und dieses in der 3D-CFD-Simulation von Wälzlagern eingesetzt. Zwischen realer und simulierter Fettverteilung konnten gute Übereinstimmungen erreicht werden.