Analyse und Modellierung der Dämpfungseigenschaften von Spindellagern

Rechnerbasierte Simulationen von technischen Systemen sind aus dem modernen Ingenieurwesen nicht mehr wegzudenken. Insbesondere bei der Betrachtung kritischer Betriebszustände sind sie ein elementarer Bestandteil der Risikoabschätzung. Nahezu allen Simulationsmethoden ist gemein, dass sie auf ein Mindestmaß von Eingangsparametern angewiesen sind. In der Simulation strukturdynamischer Systeme sind es oft Steifigkeiten und Dämpfungen, die mit Unsicherheiten behaftet sind. Die Mechanismen, die zur Dämpfung von Schwingungen führen, können zum Teil nur durch hochkomplexe Modelle beschrieben werden, sodass Aufwand und Nutzen nicht im Verhältnis zueinander stehen. Daher werden vereinfachte Modelle benötigt, welche nur die relevanten Betriebsbereiche abdecken. In mechanischen Systemen sind es oft Koppelelemente, die hauptsächlich für das Dämpfungsverhalten eines Systems verantwortlich sind. Zu diesen Koppelelementen gehören Wälzlager.
Da diese nach wie vor in der strukturdynamischen Simulation von Hauptspindelsystemen eine der größten Unsicherheitsfaktoren darstellen, widmet sich die vorliegende Arbeit der Erforschung der Dämpfung von Spindellagern. Im ersten von insgesamt drei Teilen wird basierend auf der elastohydrodynamischen Kontakttheorie ein Dämpfungsmodell für den einzelnen Wälzkontakt abgeleitet. Hierbei wird insbesondere der Betriebsbereich moderner Spindellager bis hin zu hohen Drehzahlen betrachtet. Es erfolgen ein systematischer Aufbau des theoretischen Versuchsraums und die Lösung der Reynoldsgleichungen für den zweidimensionalen Fall inklusive der Kopplung mit dem diskretisierten elastischen Halbraum. Aus den Simulationsergebnissen wird ein theoretisches Modell der Spindellagerdämpfung abgeleitet. Der Schwerpunkt des zweiten Teils liegt auf der experimentellen Untersuchung des Dämpfungsverhaltens. Hierzu wird als erstes der Einfluss der Passfuge zwischen Wälzlageraußenring und Gehäuse auf das Dämpfungsverhalten untersucht. Darauf folgt die Untersuchung verschiedener Spindellagertypen unter Drehzahl. Den Abschluss des Teils bildet der qualitative Vergleich der Versuchsergebnisse mit einem Simulationsmodell, dessen Dämpfungsparametrierung auf Basis der Ergebnisse aus dem ersten Teil erfolgt. Im dritten Teil der Arbeit werden die Ergebnisse der vorhergehenden Teile angewandt, um das Verhalten eines industriellen Hauptspindelsystems zu prognostizieren. Es folgt eine kritische Bewertung der Ergebnisse sowie eine Ableitung weiterer Forschungsbedarfe auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse.