Forschungsberichte

Stillstehende fettgeschmierte Wälzlager - FVA 540 II, IGF-Nr. 17448 BR

Vergleich von FEM-Simulationsergebnissen mit Schadensbildern

Wälzlagerungen in Maschinen, Windenergieanlagen, Fahrzeugen etc., die während des Transportes, bei Instandhaltungsarbeiten oder während anderer betriebsbedingter Ruhezeiten stillstehen, können während dieser Phasen dynamischen Lasten und/ oder Schwenkbewegungen mit sehr kleinen Amplituden ausgesetzt sein. Dadurch kommt es in den Kontakten zwischen den Wälzkörpern und Lagerringen zu oszillierenden Mikrogleitbewegungen, die Verschleißschäden an Laufbahnen und Wälzkörpern hervorrufen. Dieser Mechanismus wird als False-Brinelling bezeichnet. False-Brinelling-Schäden können im rotierenden Lagerbetrieb zu Frühausfällen führen.

Um zu verstehen, welche kinematischen Verhältnisse und mechanischen Beanspruchungen in den Kontakten zwischen Wälzkörper und Lagerlaufbahn bei False-Brinelling-Bedingungen vorherrschen, wurde ein dreidimensionales transientes FE-Modell aufgebaut. Mit den Ergebnissen der Simulationen mit diesem Modell konnte gezeigt werden, dass sich in den Wälzkontakten von Schrägkugellagern Bohr-, Differential- und Kraftschlussschlupf sowie Schlupf infolge dynamischer Kontaktnormalkräfte überlagern und zu Mikrorelativbewegungen zwischen Laufbahn und Kugel in den Randbereichen der Kontaktzone führen. Der Vergleich der FE-Ergebnisse mit realen Schadensbildern an Schrägkugellagern, welche mit gleichen Beanspruchungsparametern gefahren wurden, offenbarte, dass insbesondere in den Bereichen des Kontaktes, in den denen hohe Gleitwege und hohe spezifische Reibleistungen entstehen, die Oberflächen durch Risse, kleine Ausbrüche und Tribokorrosion stark geschädigt werden (vgl. Bild).

Im Vorgängervorhaben FVA 540 I wurde ein Prüfstand entwickelt, mit welchem die in der Praxis auftretenden Belastungs- und Bewegungsverhältnisse beim False-Brinelling realitätsnah simuliert werden können. Auf diesem Prüfstand wurden mit realen Wälzlagern verschiedene Modellschmierfette unter False-Brinelling-Bedingungen untersucht, wobei in diesem Vorhaben der Fokus auf der Variation von Additiven und Festschmierstoffen lag. Es wurde festgestellt, dass die Wirkung der Additive und Festschmierstoffe sehr stark von der Umgebungstemperatur und vom Basisfett abhängt. Die geringsten False-Brinelling-Schäden konnten nach Versuchen bei Raumtemperatur mit einem Lithiumkomplexfett mit PAO-Grundöl in Kombination mit einem AK- und einem AW-Additiv beobachten werden.

Um herauszufinden, welche Schmierstoffeigenschaften und welche Schmierstoffkomponenten das False-Brinelling-Schadensausmaß beeinflussen, wurden für alle untersuchten Modellschmierfette die Ölabscheidung und die rheologischen Eigenschaften bestimmt. Ferner wurden an ausgewählten geschädigten Lagern Oberflächenanalysen durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass sich unter False-Brinelling-Bedingungen Triboschichten nur im Anfangsstadium oder gar nicht aufbauen. Außerdem zeigte sich, dass False-Brinelling-Schäden möglicherweise durch den Einsatz von Fetten mit einer hohen Ölabscheidung reduziert werden können.

Schließlich wurden auf einem FE8-Prüfstand mit modifiziertem Prüfkopf Lebensdauerversuche durchgeführt, wobei neue ungeschädigte Lager als Referenz sowie moderat und stark vorgeschädigte Lager hinsichtlich ihrer Ermüdungslebensdauer geprüft wurden. Die Lebensdauerprüfungen mit ungeschädigten Lagern wurden nach 1.000 h Prüfzeit ohne Pittingschäden beendet. Mit moderat und stark durch False-Brinelling vorgeschädigten Lagern wurden experimentelle nominelle Lagerlebensdauern von L10h,exp = 722 h bzw. L10h,exp = 154 h erreicht. Dies zeigt, dass das False-Brinelling-Schadensausmaß einen deutlichen Einfluss auf die Lagerlebensdauer hat.

Das IGF-Vorhaben 17448 BR 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.