Strategien zur dynamischen Simulation von Wälzlagern
Produktform: Buch
Kurzfassung
Wälzlager sind sehr häufig eingesetzte Maschinenelemente, deren Aufgabe es ist, Kräfte
zwischen sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen zu übertragen und diese zu führen.
Dabei sollen die Lager eine möglichst lange Gebrauchsdauer bei gleichzeitig geringen Verlusten
bieten. Die Auslegung der Wälzlagerlebensdauer erfolgt in der Regel nach anerkannten
Normen. Diese decken allerdings nur einen von vielen möglichen Schadensmechanismen
ab – die Materialermüdung. Ein großer Anteil an Lagerschäden ist jedoch auf andere
Ursachen zurückzuführen, die bei diesen Auslegungsmethoden nicht berücksichtigt werden.
Die Dynamiksimulation von Wälzlagern bietet die Möglichkeit, die Vorgänge im Lager
detailliert zu berechnen und zu analysieren, so dass auch andere Schadensmechanismen
oder die Reibungsverluste bereits in der Konstruktionsphase eines Produktes ermittelt
werden können.
In der vorliegenden Arbeit werden Strategien zur Dynamiksimulation von Wälzlagern
entwickelt, die es erlauben auf Basis identischer Grundlagen alle Wälzlagertypen zu modellieren.
Die grundlegende Modellstruktur hat eine hohe Variabilität hinsichtlich der
Kontaktgeometrien im Wälzlager und eine einheitliche Beschreibung der physikalischen
Zusammenhänge für alle Lagertypen zum Ziel. Die einheitliche Modellierung von Kontaktund
Reibungsvorgängen erlaubt den Übertrag einmal verifizierter Berechnungsmethoden
auf andere Lager und/oder Randbedingungen. Zur Berechnung der Lagerdynamik
stellt die korrekte Modellierung der Reibung in den verschiedenen Kontaktstellen des
Wälzlagers eine notwendige Voraussetzung dar. Daher werden aktuell verfügbare Ansätze
zur Beschreibung von hochbelasteten Wälzkontakten zusammengestellt und in den
Modellen implementiert. Um aufwendigere Berechnungsansätze für Kontakt- und Reibungsbeschreibung
– wie zum Beispiel die Integration eines Kontaktsolvers für zweidimensional
diskretisierte Oberflächen – in der Dynamiksimulation verwenden zu können, werden die
Modelle für aktuelle Mehrprozessor-Systeme optimiert, um möglichst kurze Rechenzeiten
der Modelle zu realisieren.
Neben den inneren Vorgängen im Lager steht auch die Wechselwirkung des Lagers mit der
Umgebung im Fokus der vorliegenden Arbeit. Dies umfasst zum einen den Einfluss der
Umgebung auf das Lager und umgekehrt, zum anderen die makroskopische Verformung
der Lagerlaufbahnen und der Anschlusskonstruktion unter Belastung. Dieser Aspekt wirkt
sich sowohl auf die Lebensdauer des Lagers als auch auf die Dynamik aus. Es wird ein
Ansatz vorgestellt, mit dem auf Basis elastischer Körper in der Mehrkörpersimulation die
Koppelung von Kontakt- und Umgebungsverformung umgesetzt werden kann.
Die entwickelten Simulationsmodelle werden mit Hilfe von begleitend durchgeführten
experimentellen Untersuchungen verifiziert, was eine Bewertung der erreichten Modellii
güte erlaubt. Dazu werden verschiedene Lagertypen (Rillen- und Schrägkugellager sowie
Zylinder- und Kegelrollenlager) experimentell hinsichtlich Reibmoment und Schlupf untersucht.
Die Ergebnisse werden den Simulationen gegenübergestellt und zeigen sehr gute
Übereinstimmungen.
An zwei Beispielen werden wichtige Aspekte der entwickelten Lagermodelle zur Analyse
einer konkreten Anwendung vorgestellt. In beiden Fällen wird das Verhalten der Lager
unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Lager und Umgebung analysiert. Die
erzielten Ergebnisse bestätigen die Eignung der Modelle zur detaillierten Analyse innerer
Vorgänge in Wälzlagern.weiterlesen