Ermüdungslebensdauer bei Oberflächenbeschädigungen

Einfluss von Oberflächeneindrücken auf die Lebensdauer von Wälzlagern

Beschädigungen der Laufflächen von Wälzlagern in unterschiedlicher Ausprägung sind in der Praxis häufig und in einigen Fällen nur schwer vermeidbar. Sie können durch Überrollen von Partikeln aus Verunreinigungen im Schmierstoff, aber auch während des Fertigungs- und Montageprozesses oder spezieller Betriebszustände entstehen. Im ersten Fall handelt es sich um zufällige Eindrücke. Letztere sind z. B. als Hieb- und Schürfmarken oder Eindrücke von Wälzkörpern in den Laufbahnen sichtbar. Es ist bekannt, dass dadurch eine Verringerung der Ermüdungslebensdauer möglich ist, insbesondere, wenn durch plastische Verformungen Randaufwürfe entstanden sind. Allerdings ist für den Anwender nur schwer zu beurteilen, ob eine konkret vorliegende Laufflächenbeschädigung kritisch ist und eine weitere Verwendung des Lagers zulässt. Das hier vorgestellte Forschungsvorhaben hat zum Ziel, die Wirkung von Eindrücken, Hieb- und Schürfmarken unterschiedlicher Form und Abmessungen qualitativ und quantitativ vorhersagen und beurteilen zu können. 

Zu Projektbeginn wurde eine Form der Oberflächenbeschädigung definiert, die im Betrieb beobachtet wurde, und im Anschluss eine Methodik entwickelt, diese Schäden reproduzierbar auf Wälzlager aufzubringen. Die Entwicklung des Schadens während des Betriebes bzgl. seiner geometrischen Veränderungen wurde anhand eines Einzelkontaktes untersucht. Des Weiteren wurden Lebensdauerversuche mit vorgeschädigtem Lager sowohl unter Teil- als auch unter Vollschmierung durchgeführt, um den Einfluss der Vorschädigungen auf die Ermüdungslebensdauer zu untersuchen. Diese experimentellen Betrachtungen wurden durch Simulationen begleitet. Es wurde ein transientes FE-Modell aufgebaut, das die geometrischen Änderungen der Laufbahnoberflächen und den Eigenspannungszustand aufgrund der plastischen Deformationen beschreibt. Das Modell wurde mithilfe von 3D-Laser-Scanning-Aufnahmen und Eigenspannungsmessungen validiert. Daneben wurde ein FE-Modell entwickelt, das den Wälzvorgang im Lager nachbildet. Zusammen mit den Ergebnissen des ersten Modells können so die schadensrelevanten Spannungen berechnet und mithilfe eines geeigneten Lebensdauermodells hinsichtlich der Ermüdungslebensdauer bewertet werden.

Im Rahmen des Vorhabens konnte gezeigt werden, dass der Einfluss von Vorschädigungen auf die Ermüdungslebensdauer unter den getroffenen Annahmen im Teilschmierungsgebiet eine untergeordnete Rolle spielt. Im Vollschmierungsgebiet konnte hingegen eine deutliche Lebensdauerreduzierung festgestellt werden. Die experimentellen Ergebnisse konnten ebenfalls mit den Berechnungsmodellen nachvollzogen werden. Die Ergebnisse der Berechnungen sind im Vergleich zu den Versuchen eher konservativ und ergeben eine geringe Ermüdungslebensdauer.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19512 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.