Schlupf- und Anschmieruntersuchungen zu vollrolligen, kleinen Zylinderrollenlagern unter radial exzentrischer und axialer Belastung

Abstract

In dieser Dissertation werden Anschmierungen sowie die hierzu führenden Bedingungen untersucht. Vereinfacht entstehen diese durch die Kombination aus hohen Gleitgeschwindigkeiten mit gleichzeitig vorliegenden Kontaktpressungen und unzureichender Schmierfilmbildung. Sie zählen zum adhäsiven, auf Rauheitsebene stattfindenden Verschleiß. Aufgrund der Beschädigung der Topographie, dem Abtrag des Profils als auch durch Gefügeänderungen führen sie zur frühzeitigen Ermüdung der Oberfläche. Für kombiniert belastete Zylinderrollenlager liegt zum derzeitigen Stand kein ausreichendes Grundlagenwissen vor, um das kinematische Verhalten (Schlupf) oder Anschmierungen vorherzusagen. Die theoretische Betrachtung sowie die ausführlichen Versuche in der vorliegenden Arbeit tragen dazu bei, diese Lücke zu schließen. Für die Erfassung des Schlupfs wird die Spannung gemessen, die durch einen mit einem Wälzkörper rotierenden Diametralmagneten in einer Spule induziert wird. Durch eine neu entwickelte Methode können Signale mit starkem Rauschen sowie hoher Dynamik der Kinematik ausgewertet werden. Mehr als 20.000 Messpunkte werden aufgezeichnet, von denen 3.192 in dieser Arbeit in Kennfeldern abgedruckt sind. Diese zeigen reproduzierbar den Einfluss der Axialkraft, einer exzentrischen Radialkraft, der Drehzahl, der Öltemperatur sowie des axialen und radialen Betriebsspiels. Hierdurch wird ersichtlich, dass ein hoher Schlupf nicht zwangsläufig Anschmierungen hervorruft, da dieser über weite Bereiche der Betriebsbedingungen vorliegt. Dennoch zeigt sich durch geeignete Wahl der Lagertoleranzen eine mögliche Reduzierung des Anschmierrisikos durch sinkenden Schlupf sowie darüber hinaus abnehmende Schiefstellungen der Wälzkörper. Durch statistisch ausgelegte Versuchsreihen lässt sich der Zeitpunkt des Anschmierens für den Großteil der Versuche auf die ersten 60 s nach Versuchsstart eingrenzen. Durch die fehlende thermische Betriebsspielreduzierung sowie den hohen Ölwiderstand zu Beginn liegen zu diesem Zeitpunkt für nahezu alle Versuchspunkte hoher Schlupf und starke Schiefstellungen der Wälzkörper vor. Zudem ergibt sich ein statistisch signifikantes Modell hinsichtlich der Haupteffekte und Wechselwirkungen aus Last- und Toleranzgrößen. Anhand der Ergebnisse können vor allem zu Beginn der Anwendung kritische Betriebsfenster zukünftig vermieden und das Anschmierrisiko gesenkt werden. Als kritischste Parameterkombination stellt sich eine niedrige Drehzahl mit hoher Axialkraft heraus. Maßgeblich verantwortlich für die beobachteten Anschmierungen sind zudem Schiefstellungen, welche zu einseitigem Verschleiß auf Rollen und Ringen führen. Darüber hinaus wird ein neu entwickelter Modellprüfstand vorgestellt und in Betrieb genommen, welcher die gezielte Untersuchung von Anschmierungen im Kontakt zwischen Wälzkörper und Lagerringen anhand der erforderlichen Einflussparameter ermöglicht. Durch das neuartige Konzept ist die direkte Messung der Schiefstellungen sowie eine sensorgestützte, schnelle Ausrichtung und Umrüstung des Prüfstands möglich.

This dissertation examines smearings and the associated conditions leading to them. Simplified, these smearings occur due to the combination of high sliding velocities, simultaneous contact pressures, and insufficient formation of lubricating films. They belong to the adhesive wear and take place on the roughness level. Due to the damage to the surface topography, profile abrasion, and microstructural changes, they lead to premature surface fatigue. Currently, there is insufficient fundamental knowledge regarding the kinematic behavior (slip) or smearing prediction for combined loaded cylindrical roller bearings. The theoretical analysis and the extensive experiments conducted in this study contribute to filling this gap. To measure slip, the voltage induced by a diametrical magnet rotating with a roller is measured in a coil. With a newly developed method, signals with strong noise and high kinematic dynamics can be evaluated. More than 20,000 measurement points are recorded, of which 3,192 are presented in characteristic maps in this work. These maps demonstrate the reproducible influence of axial force, eccentric radial force, rotational speed, oil temperature, axial and radial clearance. It becomes apparent that high slip does not necessarily cause smearings since it occurs over wide ranges of operating conditions. However, appropriate selection of bearing tolerances shows a potential reduction in the risk of smearings by decreasing slip and also decreasing tilting of the rolling elements. By statistically designed test series, the time of smearing occurrence can be narrowed down to the first 60 s after the start of the experiment for the majority of tests. At this time, due to the absence of thermal operational clearance reduction and high initial oil resistance, almost all test points exhibit high slip and significant tilting of the rolling elements. Furthermore, a statistically significant model is obtained regarding the main effects and interactions of load and tolerance variables. Based on the results, critical operating windows can be avoided and smearing risk can be reduced, especially at the beginning of the application. The most critical combination of parameters is found to be low rotational speed and high axial force. Significantly responsible for the observed smearings are also tiltings, which result in one-sided wear on rollers and rings. In addition, a newly developed model test rig is presented and put into operation, allowing the targeted investigation of smearings in the contact between rolling elements and bearing rings using the necessary influencing parameters. The innovative concept enables direct measurement of tilting and sensor-supported, fast alignment and conversion of the test rig.