Untersuchungen des Wanderverhaltens von Wälzlagern in schrägverzahnten Planetenrädern

Aufgrund der tendenziell steigenden dynamischen Tragzahlen und der damit einhergehenden höheren spezifischen Belastungen ist das Wälzlagerwandern zu einem wichtigen Auslegungsmerkmal avanciert. Wälzlagerwandern bezeichnet Relativbewegungen im Lagersitz, welche infolge der Belastungen und der Rotationsbewegungen hervorgerufen werden. Dies führt zu abrasivem Verschleiß bzw. zur Passungsrostbildung in den Lagersitzen. Wälzgelagerte Planetenräder stellen dabei einen speziellen Problemfall dar, da es zu einer Überlagerung von zwei sich begünstigenden Wandermechanismen (Zahnradwandern und Wälzlagerwandern) kommt.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Bestimmung der wirkenden Wandermechanismen im mehrfach gelagerten Planetenradlagersitz sowie eine darauf basierende Ableitung von Berechnungsmodellen zur Ermittlung der Wandergrenze. Weiterhin sollten alle relevanten Einflussfaktoren zur Reduzierung bzw. Eliminierung der Wanderneigung bei schrägverzahnten Planetenrädern identifiziert und definiert werden. Hierfür wurden grundlegende experimentelle Untersuchungen und realitätsnahe FE-Analysen mit nahezu identischen geometrischen Größen und Randbedingungen durchgeführt. Dabei wurden die unterschiedlichen Wandermechanismen der Planetenradlagerung identifiziert und die Simulationsmethodik an den umfangreichen experimentellen Ergebnissen validiert. Die Abbildung zeigt die Ergebnisse hinsichtlich des tangentialen Schlupfes bei Variation des Reibwertes und der Zahnnormalkraft.

Es wird deutlich, dass mit steigendem Reibwert die Wandergrenze der Planetenradlagerung angehoben wird (gestrichelte Verläufe, sWta = 0) und bei höheren Radiallasten eine Richtungsänderung der Wanderbewegungen auftritt. Für die Auswahl geeigneter gestalterischer Maßnahmen wurde ein Schaubild aufbereitet, welches alle untersuchten Parameter zusammenfasst. Basierend auf den Ergebnissen dieses Vorhabens wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, um bereits in den frühen Phasen der Produktentwicklung kritische Wanderbewegungen der Lagerringe im Planetenrad erkennen und ausschließen zu können. Dazu wurde ein kombinierter Ansatz gewählt, bestehend aus einer lokalen Betrachtung der auftretenden und übertragbaren Schubspannungen im Bereich des Zahneingriffes und einer Betrachtung der Schlupfzustände im Bereich der höchstbelasteten Wälzkörper mit dem Softwareprogramm SimWag2.1Z88. Das Berechnungsmodell kann die Wandergrenze von Planetenradlagerungen sicher vorhersagen. Der erweiterte analytische Ansatz weist ebenfalls gute Ergebnisse auf und kann für eine schnelle Vorauslegung genutzt werden.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18311 BG 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.