Experimentelle und simulative Untersuchung des Schlupfverhaltens von Kegelrollenlagern

Kurzfassung
Kegelrollenlager zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, sowohl axiale wie auch radiale Belastungen abstützen
zu können. In der Vielzahl von Einsatzgebieten werden Kegelrollenlager paarweise verwendet
und mit einer leichten Vorspannung versehen. In Anwendung mit hohen Drehzahlen, wie beispielsweise
an Abtriebswellen von Generatorgetrieben fürWindenergieanlagen, werden Kegelrollenlager
unter Spiel betrieben und sind daher der Gefahr schlupfinduzierter Schäden ausgesetzt. Das Schlupfverhalten,
speziell von Kegelrollenlagern, ist jedoch bisher wenig erforscht. Die vorliegende Arbeit
beschäftigt sich daher mit der experimentellen und simulativen Untersuchung des Schlupfverhaltens
von Kegelrollenlagern.
Im Rahmen der Versuche an einem Rollenlagerprüfstand werden zunächst aus einer Reihe potentieller
Faktoren die wesentlichen Einflussgrößen auf das Schlupfverhalten von Kegelrollenlagern
identifiziert und anschließend in den Hauptuntersuchungen im Detail analysiert. Unter Anwendung
eines d-optimalen Stufenplans werden die erzielten Versuchsergebnisse dazu mithilfe einer multiplen
Regressionsanalyse in ein mathematischesModell überführt. Basierend darauf wird ein neues
Mindestlastmodell für Kegelrollenlager abgeleitet und Angaben von Lagerherstellern und weiteren
Forschungsvorhaben gegenübergestellt. Zudem wird der Einfluss von Spiel und Vorspannung auf
das Schlupfverhalten von Kegelrollenlagern aufgrund seiner Bedeutung in der Anwendung separat
analysiert.Der experimentelle Abschnitt schließt mit derUntersuchung dynamischer Betriebszustände
anhand von Last- und Drehzahlgradienten in Bezug auf das Schlupfverhalten. Hierzu werden die
Auswirkungen von Be- und Entlastungen sowie Anfahr- und Bremsvorgängen auf Kegelrollenlager
erarbeitet.
Für die simulativen Untersuchungen wird die Entwicklung eines 3-dimensionalen Modells zur Abbildung
von Kegelrollenlagern innerhalb derMehrkörpersimulationsumgebung ADAMS vorgestellt.
Dieser Abschnitt fokussiert, neben der Beschreibung des grundsätzlichen Modellaufbaus, auf die
Abbildung derMikrogeometrie an den Laufbahnkontakten sowie der detaillierten Reibungsbeschreibung
bei variierendem Reibungszustand. Einen weiteren Schwerpunkt derModellentwicklung stellt
die Kontaktpunktfindung zwischen der Wälzkörperstirnfläche und dem Bord dar. Die Verifikation
des Dynamikmodells erfolgt unmittelbar anhand des Wälzkörperdrehzahl-Verlaufs imVergleich mit
Ergebnissen des Rollenlagerprüfstands.
Das entwickelte Dynamikmodell wird anschließend als Werkzeug zur Analyse der Vorgänge im
Lagerinnern, welche messtechnisch nur begrenzt erfassbar sind, verwendet. Zudem werden Simulationsergebnisse
dem Regressionsmodell aus den experimentellen Untersuchungen gegenübergestellt
und vergleichend diskutiert. Abschließend werden die Ursachen zur Ausbildung der Kinematikzonen,
die ein Wälzkörper während eines Käfigumlaufs durchläuft, anhand des Simulationsmodells erarbeitet
und ein Zusammenhang zu schlupfinduzierten Schäden angewendet.