Bewertung von Lagern

Jul 01, 2023

Markus Raabe erforscht Lagerberechnungsmethoden.

Wälzlager sind wichtige Komponenten in Getrieben. Normalerweise werden sie auf der Grundlage geometrischer Einschränkungen, Anforderungen an die Lastrichtungen und der Lebensdauer ausgewählt.

Die Lebensdauer wird meist auf Basis von ISO 281 unter Verwendung einer äquivalenten Belastung und der dynamischen Tragzahl aus dem Katalog berechnet. Zusätzliche Einflussfaktoren wie Schmierung und Sauberkeit können in einer modifizierten Lebensdauerbewertung berücksichtigt werden. Die Lebensdauerangabe begrenzt die maximale Belastung. Hinsichtlich der Mindestlast sehen die Lagerkataloge Einschränkungen im Bereich von 1-2 % der dynamischen oder statischen Tragzahl vor, da Schlupf zu Verschleiß oder Schmierung führen kann. Bei Verwendung einer äquivalenten Belastung nach ISO 281 werden Fluchtungsfehler, Momentenbelastung oder Lagerspiel nicht berücksichtigt.

Einen detaillierteren Ansatz zur Berechnung der Lagerlebensdauer bietet ISO/TS 16281. Dieser kann nicht manuell ausgewertet werden, da er auf der Lastverteilung innerhalb des Lagers basiert. Durch die Berücksichtigung der Lastverteilung können zusätzliche Effekte wie Fluchtungsfehler, Lagerspiel oder Passung berücksichtigt werden. Durch die Erweiterung dieses Ansatzes können Gehäuseverformungen berücksichtigt werden, die sich auch auf die Lastverteilung innerhalb des Lagers auswirken.

Weitere Auswertungen können über die Lastverteilung auf Basis eines quasistatischen Gleichgewichts erfolgen. Bei Kugellagern kann das Risiko des Abschneidens bei hohen Axiallasten durch Vergleich der Ausdehnung der Kontaktellipse mit der Höhe der Schulter beurteilt werden. Das Spin-Roll-Verhältnis und der Kugelvorschub in Umfangsrichtung sind kinematische Eigenschaften, die zur Bewertung von Hochgeschwindigkeitskugellagern herangezogen werden. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen sollte die minimale Kontaktspannung ausreichen, um ein Durchrutschen zu verhindern. Zusätzlich zur Nennlebensdauer kann die maximale Kontaktspannung bewertet werden, was in einigen Branchen bevorzugt wird. Die Berechnung der Lagerlastverteilung liefert auch Lagersteifigkeitsmatrizen, die zur Berechnung von Durchbiegungen oder Rotordynamiken verwendet werden können. Bei Lagern mit Kontaktwinkeln besteht eine Kopplung zwischen axialen, radialen Auslenkungen und Kippwinkeln in der Steifigkeitsmatrix.

Für die Berechnung der Lagerlastverteilung und der daraus resultierenden Referenzlebensdauer nach ISO/TS 16281 stehen mehrere Programme zur Verfügung, meist in Kombination mit einer Wellenberechnung zur Erfassung der Schiefstellung.

Für einige weitere Schadensarten sind anstelle eines quasistatischen Gleichgewichts transiente Berechnungen mit einem Mehrkörperansatz erforderlich. Normalerweise führen nur Lagerhersteller solche Bewertungen durch, bei denen lokale Wechselwirkungen zwischen Wälzkörpern und Laufringen oder Käfig berücksichtigt werden.

Die aktuellen Standards zur Lagerlebensdauerberechnung weisen noch einige Mängel auf. Abb.1. zeigt ein Beispiel der Lebensdauer eines Schräglagers mit Änderung des Kontaktwinkels unter konstanter reiner Axiallast. Bei einem Kontaktwinkel von etwa 40° beträgt die Referenzlebensdauer nach ISO/TS 16281 fast das Doppelte der Lebensdauer nach ISO 281. Bei einem Kontaktwinkel über 45° gilt das Lager als Axiallager und die Referenzlebensdauer nach ISO/TS 16281 wird um den Faktor 2,6 reduziert. Wenn bei Axiallagern eine zusätzliche Fehlausrichtung aufgrund von Wellendurchbiegungen berücksichtigt wird, ist die Referenzlebensdauer nach ISO/TS 16281 kleiner als die Lebensdauer nach ISO 281.

Markus Raabe ist Geschäftsführer beiMesys