Reibungsmodellierung Hochdrehzahl

Erweiterung der Reibungsmodellierung für hochdrehende Wälzlager in Elektroantrieben

Im Forschungsvorhaben wurden Erweiterungen bekannter Reibmomentmodelle in den Hochdrehzahlbereich mit optimierten Berechnungsmethoden zur Ermittlung der Lastverteilung im Wälzlager umgesetzt. Darüber hinaus wurden umfangreiche Bauteilversuche zur Validierung der entwickelten Berechnungsmodelle durchgeführt. Als zu untersuchende Maschinenelemente wurden sowohl Schrägkugellager als auch Rillenkugellager betrachtet.

Zur Berechnung der Lastverteilung im Wälzlager wurden der mit steigender Drehzahl zunehmende Einfluss der radial auf die Wälzkörper wirkenden Fliehkräfte und die damit verbundene Änderung der Kontaktwinkel zwischen Wälzkörpern und Lagerringen in das Berechnungsmodell implementiert. Der resultierende Winkel der Wälzkörperdrehachse wird iterativ ermittelt.

Zur Validierung der Berechnungsmodelle wurde ein Komponentenprüfstand an die Anforderungen des Vorhabens angepasst, zu sehen in Bild 1. Es wurde eine Prüfaufnahme zur definierten axialen sowie radialen Belastung der Prüflager entwickelt, konstruiert und gefertigt. Zur gezielten Einstellung verschiedener Betriebszustände ist eine Temperierung der Prüfeinrichtung vorgesehen. Mit dem Prüfstand kann neben anderen Messgrößen auch das Verlustmoment des Wälzlagers mit Hilfe einer Drehmomentmesswelle bestimmt werden. Im Rahmen des Vorhabens wurden Drehzahlen im Bereich von 4.000 1/min bis 30.000 1/min untersucht.

Der Vergleich der berechneten und gemessenen Reibmomente zeigt eine gute Übereinstimmung im Bereich bis ca. 15.000 1/min. Im Bereich höherer Drehzahlen steigt das gemessene Drehmoment zunehmend an, was durch das Berechnungsmodell nicht wiedergegeben wird. Die Ursache hierfür wird auf die unzureichende Berechnung der Schmierfilmhöhe im Wälzkontakt zurückgeführt. Um detaillierte Informationen über den Schmierungszustand der Wälzlager zu erhalten, wurden kapazitive Schmierfilmdickenmessungen durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass im Bereich des zuvor beschriebenen Reibmomentanstiegs ein instabiler und abnehmender Schmierfilm zu beobachten ist. Weiterhin konnte eine Mischreibung zwischen den Kontaktpartnern festgestellt werden. Dies erklärt die Diskrepanz zwischen Messung und Berechnung und bildet die Grundlage für weitere Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet der schnell drehenden Wälzlager und der damit verbundenen Reibmomentberechnung.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 21390 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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.