Vorgespannte Zylinderrollenlager

Ermittlung von Einsatzgrenzen radial vorgespannter Zylinderrollenlager  

Vorgespannte Wälzlager besitzen gegenüber spielbehafteten Lagern höhere Lagersteifigkeiten,  weniger Abrollstörungen und bei geeigneter Auslegung höhere Ermüdungslebensdauern. Während axial vorgespannte Lager vielfältig zum Einsatz kommen, werden Zylinderrollenlager bislang nur in Werkzeugmaschinenspindeln in größerer Stückzahl radial (gering) vorgespannt betrieben. Selbstständige und selbstverstärkende Änderungen des Betriebsspiels bzw. der Lagervorspannung können im Betrieb auftreten und zu unerwünschten Temperaturerhöhungen im Lager oder sogar zu Lagerschäden führen. Im abgeschlossenen Vorhaben wurden auf der Suche nach den Einsatzgrenzen radial vorgespannter Zylinderrollenlager verschiedene Lager (Bohrungsdurchmesser 30, 60 und 280 mm, sowohl einreihig und mit Käfig als auch ausgewählt, zweireihig vollrollig) mit unterschiedlichen positiven und negativen Montage- bzw. Betriebsspielen in experimentellen Untersuchungen betrieben.

Dabei wurden das Temperaturverhalten, die Wälzkörperkinematik, das Reibmoment sowie die Ermüdungslebensdauer untersucht. Mit Abnahme des Betriebsspiels stieg das Reibmoment und damit der Wärmeeintrag an, was für hohe Drehzahlen und Lasten zum Erreichen kritischer Temperaturen an den vorgespannten Lagern führte. Es traten jedoch keine instationären Betriebszustände auf, in denen sich der Temperaturunterschied der Lagerringe selbstverstärkend vergrößerte. An den vorgespannten Lagern traten in Lebensdauerversuchen im Vergleich zu den spielbehafteten Lagern deutlich weniger Ermüdungsschäden auf.

Die Laufzeiten vorgespannter Lager lagen über denen der Zylinderrollenlager mit initialem Spiel. Mit Verringerung des Lagerspiels konnte in MKS-Simulationen und Lagerversuchen eine Verringerung des Wälzkörperschlupfes infolge der Verkleinerung oder Vermeidung der lastfreien Zone beobachtet werden. Der Einfluss des Betriebsspiels auf die Lastverteilung im Lager und damit auf die Lebensdauer wurde mit Hilfe von Berechnungen nachvollzogen. Die Lebensdauer steigt mit Abnahme des Betriebsspiels an, erreicht in Bereichen der Vorspannungen ein Maximum und verkleinert sich mit weiter sinkendem Spiel drastisch. Zur Bestimmung lebensdaueroptimierter Vorspannungen durch den Konstrukteur wurde für steife Lagerumgebungen eine Näherungsformel abgeleitet, die gute Übereinstimmungen mit den Ergebnissen von LAGER2 liefert.

Das IGF-Vorhaben 17769 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.