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.