Wälzlagersteifigkeit: Untersuchung des Gehäusefügespiels und Lagerringelastizität auf die Wälzlagersteifigkeit

Zur Auslegung wälzgelagerter Systeme ist eine detaillierte Kenntnis des dynamischen Systemverhaltens notwendig. Insbesondere die Klärung rotordynamischer Fragestellungen ist für einen wirtschaftlichen und vor allem sicheren Betrieb unverzichtbar. Um kritische Betriebsparameter wie z. B. die kritischen Drehzahlen verlässlich identifizieren zu können, muss eine realitätsnahe Kenntnis der Wälzlagersteifigkeiten im Auslegungsprozess Berücksichtigung finden. Während die bisherigen Angaben der Lagerhersteller bezüglich der Wälzlagersteifigkeit lediglich die Kontaktsteifigkeit der Wälzkörper berücksichtigen, wird die reale Lagersteifigkeit zusätzlich von der Materialelastizität der Lagerringe sowie des Lagerschilds und dem Passungsspiel des Lagersitzes beeinflusst. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des FVA-Forschungsvorhabens 747 I die Bestimmung der Wälzlagersteifigkeit von Radialrillenkugellagern unter Berücksichtigung des Gehäusefügespiels, bei einem ungeteilten Ringgehäuse, sowie flexiblen Lagerringen zum Ziel gesetzt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden an den beteiligten Forschungsstellen unterschiedliche experimentelle sowie simulative Untersuchungen durchgeführt. Der Projektablauf ist in Abbildung 1 in einzelnen Arbeitspaketen dargestellt. Einerseits erfolgte am MEGT die Modellentwicklung eines FE-Vollmodells von Radialrillenkugellagern in ANSYS. Zu der Verifizierung dieser FE-Untersuchungen dienten die statischen Prüfstandsversuche am MEGT sowie die dynamischen Experimente beim Industriepartner. Bei diesen Experimenten wurde der Gehäusefügespieleinfluss auf die Änderung der kritischen Drehzahlen durch Hochlaufversuche untersucht. Hierbei handelte sich um eine zweipolige Asynchronmaschine mit 2 MW Leistung bei Siemens.

In den weiteren Arbeitspaketen wurde am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD ein Ersatzmodell zur automatischen Berechnung der Wälzlagersteifigkeit entwickelt. Das Modell beruht auf einem vereinfachten FE-Modell, bei welchem die Wälzkörper durch Stabelemente substituiert werden. Hierdurch kann die klassische Kontaktberechnung entfallen, wodurch die Berechnung beschleunigt werden kann. Auf Basis dieses Modells wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, welches auf dem frei verfügbaren Finite-Elemente-Programm Z88 aufbaut. Zur Validierung des FE-Ersatzmodells werden die Ergebnisse des FE-Vollmodells herangezogen. Hier konnte gezeigt werden, dass die entwickelte, vereinfachte Berechnungsmethodik eine sehr gute Übereinstimmung mit dem FE-Vollmodell und den Prüfstandsversuchen aufzeigt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Gehäusefügespiel zu einer starken Verringerung der radialen Lagersteifigkeit, insbesondere bei geringerer Last, führt. Bei Betrachtung der axialen Steifigkeit war dieser Einfluss ebenfalls zu verzeichnen, jedoch in geringerem Maße. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass das Gehäusefügespiel keinen bemerkbaren Einfluss auf die Kippsteifigkeit besitzt. Das Ergebnis des Vorhabens mündete in einem benutzerfreundlichen Berechnungswerkzeug. Dieses Tool liefert dem Konstrukteur bei der rotordynamischen Auslegung verlässliche

Zur Auslegung wälzgelagerter Systeme ist eine detaillierte Kenntnis des dynamischen Systemverhaltens notwendig. Insbesondere die Klärung rotordynamischer Fragestellungen ist für einen wirtschaftlichen und vor allem sicheren Betrieb unverzichtbar. Um kritische Betriebsparameter wie z. B. die kritischen Drehzahlen verlässlich identifizieren zu können, muss eine realitätsnahe Kenntnis der Wälzlagersteifigkeiten im Auslegungsprozess Berücksichtigung finden. Während die bisherigen Angaben der Lagerhersteller bezüglich der Wälzlagersteifigkeit lediglich die Kontaktsteifigkeit der Wälzkörper berücksichtigen, wird die reale Lagersteifigkeit zusätzlich von der Materialelastizität der Lagerringe sowie des Lagerschilds und dem Passungsspiel des Lagersitzes beeinflusst. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des FVA-Forschungsvorhabens 747 I die Bestimmung der Wälzlagersteifigkeit von Radialrillenkugellagern unter Berücksichtigung des Gehäusefügespiels, bei einem ungeteilten Ringgehäuse, sowie flexiblen Lagerringen zum Ziel gesetzt.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurden an den beteiligten Forschungsstellen unterschiedliche experimentelle sowie simulative Untersuchungen durchgeführt. Der Projektablauf ist in Abbildung 1 in einzelnen Arbeitspaketen dargestellt. Einerseits erfolgte am MEGT die Modellentwicklung eines FE-Vollmodells von Radialrillenkugellagern in ANSYS. Zu der Verifizierung dieser FE-Untersuchungen dienten die statischen Prüfstandsversuche am MEGT sowie die dynamischen Experimente beim Industriepartner. Bei diesen Experimenten wurde der Gehäusefügespieleinfluss auf die Änderung der kritischen Drehzahlen durch Hochlaufversuche untersucht. Hierbei handelte sich um eine zweipolige Asynchronmaschine mit 2 MW Leistung bei Siemens. In den weiteren Arbeitspaketen wurde am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD ein Ersatzmodell zur automatischen Berechnung der Wälzlagersteifigkeit entwickelt. Das Modell beruht auf einem vereinfachten FE-Modell, bei welchem die Wälzkörper durch Stabelemente substituiert werden. Hierdurch kann die klassische Kontaktberechnung entfallen, wodurch die Berechnung beschleunigt werden kann. Auf Basis dieses Modells wurde ein Berechnungsprogramm entwickelt, welches auf dem frei verfügbaren Finite-Elemente-Programm Z88 aufbaut. Zur Validierung des FE-Ersatzmodells werden die Ergebnisse des FE-Vollmodells herangezogen. Hier konnte gezeigt werden, dass die entwickelte, vereinfachte Berechnungsmethodik eine sehr gute Übereinstimmung mit dem FE-Vollmodell und den Prüfstandsversuchen aufzeigt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Gehäusefügespiel zu einer starken Verringerung der radialen Lagersteifigkeit, insbesondere bei geringerer Last, führt. Bei Betrachtung der axialen Steifigkeit war dieser Einfluss ebenfalls zu verzeichnen, jedoch in geringerem Maße. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass das Gehäusefügespiel keinen bemerkbaren Einfluss auf die Kippsteifigkeit besitzt. Das Ergebnis des Vorhabens mündete in einem benutzerfreundlichen Berechnungswerkzeug. Dieses Tool liefert dem Konstrukteur bei der rotordynamischen Auslegung verlässliche

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18735 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.