Strategien zur dynamischen Simulation von Wälzlagern von Timo Kiekbusch

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.