Theorie für die Praxis

Konstruktionsmanagement

Wälzlagerauslegung – Bei der Berechnung der Lebensdauer von Wälzlagern spiegelt die dynamische Tragzahl C die realen Verhältnisse nur unzureichend wider. Ein neues Berechnungsmodell von SKF verspricht Abhilfe.

17. September 2015

Ein Problem bei der Wahl des optimalen Wälzlagers für eine spezielle Anwendung ist die Abschätzung der Lebensdauer unter den jeweiligen Einsatzbedingungen und Ansprüchen. Bei einigen Anwendungen steht zum Beispiel ein geringes Reibungsmoment im Fokus; andernorts mag ein niedriger Geräuschpegel entscheidend sein. Häufig steht jedoch die tatsächliche Gebrauchsdauer im Fokus – und die hängt nicht nur von der Qualität des Stahls oder vom Lagerdesign ab. Maßgebliche Faktoren dafür sind außerdem die Schmierung sowie die Dichtwirkung. Das Problem dabei: Die Tragzahl C gibt keinen Aufschluss über diese lebensdauerrelevanten Größen.

Bei einem Elektromotor zum Beispiel werden Lager typischerweise mit geringen bis mittleren Belastungen und hohen Drehzahlen von mehr als 1.000 min-1 betrieben. Die Lager in solchen Motoren fallen heutzutage kaum noch wegen Ermüdung des Stahls aus, sondern weil beispielsweise das Ende der Fettgebrauchsdauer erreicht wird. Um diese Frist zu verlängern und gleichzeitig das Reibungsmoment zu senken, hat der schwedische Wälzlagerspezialist SKF unter anderem energieeffiziente Rillenkugellager der Baureihe E2 entwickelt, deren Reibungsmoment bei solchen Betriebsbedingungen mindestens 30 Prozent unter dem gleichgroßer SKF Explorer-Rillenkugellager liegt. Zugleich erzielen die E2-Lager längere Standzeiten – und das, obwohl sie niedrigere Tragzahlen als ihre Explorer-Pendants aufweisen. Die Ursache dafür ist die geringere Reibung und damit die geringere Erwärmung des Lagers, was die Fettgebrauchsdauer erhöht und die Dichtungsalterung verlangsamt.

Bewährtes als Basis

Entscheidend wichtig für die Lagerkonstruktion sind also die Kenntnis der Anwendungsanforderungen sowie das Verständnis für die verschiedenen Schadensmechanismen: Es geht darum, Wälzlager hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens in der späteren Anwendung zu optimieren. Mit dem neuen Field-Performance-Programm stößt SKF in diese Richtung vor. Bestandteil des Programms ist unter anderem ein innovatives Lebensdauermodell mit der Bezeichnung »SKF Generalized Bearing Life Model«. Es ist eine Weiterentwicklung eines bewährten Modells, das SKF schon vor über 30 Jahren vorgestellt hat und das heute weltweit Verwendung findet. Dieses klassische Modell basiert auf der Werkstoffermüdung in der Tiefe, leitet daraus die Erlebenswahrscheinlichkeit ab und modifiziert diese durch Einflussfaktoren in Abhängigkeit von unzureichender Schmierung und dem Grad der Verunreinigung.

Ein Nachteil dieses Modells ist, dass neue Erkenntnisse darin nur sehr begrenzt berücksichtigt werden können – beispielsweise die Einflüsse von verbesserten Wärmebehandlungsprozessen, neuen Materialien, speziellen Beschichtungen, optimierten Oberflächen oder verbesserten Wälzkörper- und Laufbahnprofilen: Deren positive Auswirkungen auf die Lagerlebensdauer lassen sich nicht einfach durch eine Erhöhung der dynamischen Tragzahl C oder durch das Hinzufügen neuer globaler Faktoren zur Lebensdauergleichung abbilden.

Zudem berücksichtigt das traditionelle Modell nicht, dass die meisten Ausfälle heutzutage auf Oberflächenzerrüttung oder Verschleiß aufgrund von Verunreinigungen, unzureichender Schmierung oder anderen Betriebsbedingungen zurückzuführen sind, die jedoch lediglich eine sehr dünne Materialschicht an der Oberfläche im Wälzkontakt beeinflussen, während die klassische Ermüdung des Wälzlagers in der Tiefe beginnt.

Das neue Modell zur Berechnung der Lebensdauer betrachtet deshalb diese beiden Bereiche getrennt und unterscheidet dazu zwischen Oberflächen- und Ermüdungsschäden. Dabei fußt es auf tribologischen Erkenntnissen und bezieht Parameter wie Schmierstoffeigenschaften, Verunreinigungen und Oberflächenzustand mit ein. Die Lebensdauer L10GM setzt sich bei diesem Modell zusammen aus den Funktionstermen fss für die Werkstoffermüdung in der Tiefe sowie fs, der die Oberflächenschäden berücksichtigt. Die dynamische Tragzahl C bleibt dabei im Funktionsterm für die Werkstoffermüdung erhalten:

L10GM=[fss(C,Rss) + fs(Rs,p1,p2,…)]b

Die Funktion Rss berücksichtigt die äquivalente Lagerbelastung und die Ermüdungsgrenzbelastung, Rs beurteilt den Einfluss der Anwendungs- und Umgebungsbedingungen auf die Entstehung von Oberflächenschäden unter Berücksichtigung der Belastung, der Verunreinigung, der Schmierung sowie verschiedener Performancefaktoren p1, p2... Der Exponent b ist eine Konstante.

Viele Faktoren

Die Performancefaktoren ermöglichen es, die Einflüsse von optimierten Lagerkonstruktionen, speziellen Wärmebehandlungen oder Ähnlichem auf die Lebensdauer zu berücksichtigen. Bislang sind zwar erst wenige Faktoren bekannt, doch wird SKF schon bald zusätzliche Faktoren definieren, die aus numerischen und tribologischen Modellbetrachtungen sowie Versuchsreihen hervorgehen. Fest steht schon jetzt, dass sich Lagerverhalten und Lagerlebensdauer durch die Berücksichtigung zusätzlicher Schadensmechanismen in einem breiteren Betriebsbedingungsbereich viel realistischer vorhersagen lassen. Das ermöglicht eine extrem anwendungsorientierte Lagerauswahl. Zudem kann das neue Modell dynamisch an künftige tribologische und materialwissenschaftliche Erkenntnisse angepasst werden.

Zugang zu dem innovativen Modell bietet demnächst die neue Ein-Wellen-Berechnungssoftware SKF SimPro Quick, die unter anderem Wellen, Gehäuse, externe Kräfte und Verzahnungen simuliert. Die Software ermittelt neben der rechnerischen Lagerlebensdauer unter anderem auch Reibungsmomente, Wälzkörperbelastungen sowie die rechnerische Schiefstellung der Wälzlager infolge der Wellendurchbiegung. Das neue Berechnungsmodell wird in das Programm integriert, sobald die notwendigen Berechnungsfaktoren für die Lager bestimmt wurden.bt

Auf einen Blick

- Die SKF-Gruppe mit Zentrale im schwedischen Göteborg ist ein weltweit führender Anbieter von Wälzlagern, Dichtungen, Mechatronik-Bauteilen und Schmiersystemen sowie zugehörigen Dienstleistungen.

- Im Jahr 2014 erwirtschaftete die Unternehmensgruppe mit weltweit 48.593 Mitarbeitern in mehr als 130 Ländern einen Umsatz von 70,975 Milliarden Schwedischen Kronen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2015