A. Konrad

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Arbeitsgebiet:

"Tribologische Modellierung und Finite Elemente Simulation von Schadensmechanismen im schwingungsbelasteten Wälz(gleit)kontakt"

Zusätzlich zur Betriebslast werden Wälzlager in vielen Anwendungen durch extern erzeugte, auch mehrdimensional wirkende mechanische Schwingungen beansprucht. Die gestörte elastohydrodynamische Schmierung ruft besondere Mischreibungszustände hervor. Praktische Beispiele sind Wälzlager in Papier- und Webmaschinen, Kohle- und Metallmühlen, Kränen, Windenergieanlagen, Traktoren, Zügen oder Ventilatoren. Zusätzliche Tangentialkräfte durch Gleitreibung erhöhen die Vergleichsspannung nach v. Mises und verschieben ihr Maximum von der Tiefe z0 für rein radiale Belastung hin zum Rand. Die analytische Rechnung für den gesamten Kontakt liefert einen Übergang bei einem Reibwert von μ≈0,25: für μ<0,25 wird die maximale v. Mises-Spannung nahe an und für μ>0,25 direkt auf der Oberfläche erreicht. In betroffenen Wälzlagern kommt es allerdings fast nie zu Anschmierungen, weshalb diese einfache Vorstellung so nicht anwendbar ist. Gemessene Eigenspannungsverteilungen von schwingungsbelasteten Laufbahnen weisen aber randnahe (mikro-) plastische Verformung an geglätteten eindrückungsfreien Oberflächen nach. Die korrelierten Reibungskoeffizienten würden hohe μ-Werte bis über 0,25 annehmen. Auf der Grundlage eines tribologischen Modells für den Wälz(gleit)kontakt kann das Auftreten von zwei unterscheidbaren Arten der charakteristischen Druckeigenspannungsentwicklung erklärt werden. In der vorliegenden Arbeit werden die an schwingungsbelasteten Wälzlagern in der Praxis beobachteten Eigenspannungstiefenverläufe mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation reproduziert.

Die reibungsinduzierten tangentialen Zugspannungen erreichen ihr Maximum am Auslauf des Wälzkontakts. In der Literatur wird z. B. bei Frühausfällen von Windgetriebelagern durch Schadensanalyse und Fraktografie nachgewiesen, dass diese schwingungsbedingten Reibzugspannungen spröde Gewaltbrüche von begrenzter Tiefe in bevorzugt axialer Richtung auf der Laufbahn auslösen können. Zwischen den reibenden Flanken erfährt der in die Risse eindringende Schmierstoff starke chemische Alterung. Die ausgeprägte Verzweigungstendenz zeigt, dass das Wachstum der spaltbruchähnlichen Anrisse durch Schwingungsrisskorrosion getrieben wird. Der dabei an die benachbarte Stahlmatrix abgegebene Wasserstoff ruft lokal beschleunigte Wälzermüdung hervor. So kommt es zur Dekoration der Rissumgebung mit weiß anätzendem Gefüge. Die den Anriss auslösenden tangentialen Zugspannungen werden ebenfalls durch die Anwendung des eingeführten Kontaktmodells berechnet. Die Analyse erklärt, warum große Wälzlager (Durchmesser der Rollkörper maßgeblich) für diesen Schadensmechanismus besonders anfällig sind.

Die Simulation des schwingungsbelasteten Wälzkontakts beruht auf dem tribologischen Modell mikroskopisch  variierender Reibungskoeffizienten. Dabei stehen μ> und μ< für lokal erhöhte bzw. niedrige Werte, die intermittierend auf einzelnen Teilgebieten der Hertz’schen Kontaktfläche angenommen werden. Unter dem Einfluss Schwingungen erreicht der örtliche Reibungskoeffizient μ> in kleinen Unterbereichen kurzzeitig eine Größe um 0,2 bis über 0,3. Diese Partitionierung verhindert Anschmierungen oder gar Fressen, indem die erhöhte Reibung nur zeitweise in ständig wechselnden Gebieten des Kontakts bei niedriger Gleitgeschwindigkeit auftreten kann.

 

Für die vorliegende Analyse dient ein vereinfachtes Finite-Elemente-Modell. Es beinhaltet ein auf der Mantelfläche einer Zylinderrolle umlaufendes Band mit hohem Reibungskoeffizienten von 0,2 bis 0,5 innerhalb eines Wälzkontakts. Ein Finite-Elemente-Netz bildet die ebene und verformbare Innenringlaufbahn.