Optimierung | Kontaktpressung Wälzlager

Aachen, 29.08.2017

In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf die Kontaktpressung in Wälzlagerungen ein, die möglichst minimiert werden sollte, um eine hohe Lebensdauer des Wälzlagers zu erzielen.

Im Speziellen betrachten wir ein Kegelrollenwälzlager. Dieses Simulationsbeispiel dient als Grundlage dafür, wie die kritische Pressung in den Wälzlagerelementen minimiert werden kann.

Die zu optimierenden Kegelrollenlager werden in einem einstufigen Getriebe eingesetzt, das zu der Antriebseinheit eines Hochgeschwindigkeitszuges gehört; sie lagern dort die Abtriebswelle. In Kooperation mit einem Industriepartner, der ermüdungskritische Messungen an den Wälzlagern übernahm, wurde die Simulation und Optimierung der Kontaktpressungsverteilung zwischen Kegelrolle und Lagerinnen- respektive -außenring in zwei Wälzlagern durchgeführt.

Bei den untersuchten Kegelrollenwälzlagern liegen eine ermüdungskritische Anwendung bei hohen Drehzahlen und überwiegend moderate Lasten vor.

Zeitweise treten jedoch signifikante Extremlasten im Betrieb des Zuges auf.

Darüber hinaus sind relativ große Verformungen von Welle und Gehäuse auf Grund von Leichtbau zu verzeichnen.

Wesentliche Kriterien für die Gestaltung der Kegelrollen sowie des Innen- und Außenrings sind die Vermeidung von Kantentragen bei den o.a. Extremlasten und eine möglichst homogene Pressungsverteilung, die unterhalb der zulässigen Druckspannung der verwendeten Materials liegt. Werden hierbei Materialbelastungsgrenzen überschritten, so kann die Laufbahn des Lagers geschädigt werden, was eine deutliche Reduzierung der Lagerlebensdauer mit sich bringt.

Bei der Simulation der Kontaktpressungen im Wälzlager wurde auf die Finite-Elemente-Modellierung besonderes Augenmerk gelegt. Erforderlich sind hohe Netzdichten im Kontaktbereich für eine gute Erfassung der Kontaktpressung und niedrige Netzdichten im übrigen Modellbereich, um die Rechenzeit in akzeptablen Zeiträumen zu halten.

Die Basisgeometrie der Lagerringe und Kegelrollen führt unter maximaler Betriebslast zu hohen Kantenpressungen im Lager. Die Optimierung der Profilierungen (Balligkeiten) führte zu einer verbesserten sowie verminderten Pressungsverteilung und zur Beseitigung der Kantenpressung (vgl. Bild dieser Pressemitteilung). Damit verbunden ist eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer des Kegelrollenlagers.

Die durchgeführten Simulationsrechnungen waren Teil eines umfangreichen Freigabeprozesses für die Wälzlager von Seiten des Kunden. Neben der Optimierung der Geometrie gehörten dazu die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und die Produktvalidierung durch realitätsnahe Lebensdauerversuche, in denen die Eignung der Lager für diese Anwendung verifiziert werden konnte.

Finite-Elemente-Netz und optimiertes Druckspannungsbild im höherkritischen Kegelrollenkontaktbereich

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