| Titel | Modellierung des Tribokontakts schwingungsbelasteter Wälzlager – Finite-Elemente-Analyse auf Grundlage eines Mikroreibungsmodells |
| Autor | A. Konrad, W. Nierlich, J. Gegner |
| Infos zum Autor | Andreas Konrad, Dipl.-Phys., Institut für Werkstofftechnik, Universität Siegen, Paul-Bonatz-Straße 9–11, 57068 Siegen, andreas.konrad@uni-siegen.de Wolfgang Nierlich, Dipl.-Phys., Ingenieurbüro Nierlich, Zeppelinstraße 16, 97424 Schweinfurt, wolfgang.nierlich-mra@t-online.de Jürgen Gegner, Prof. Dr. rer. nat. habil., Institut für Werkstofftechnik, Universität Siegen, Paul-Bonatz-Straße 9–11, 57068 Siegen, jürgen.gegner@uni-siegen.de |
| Inhalt | Zusammenfassung Zusätzlich zur Betriebslast werden Wälzlager in vielen Anwendungen durch extern erzeugte, oft mehrdimensional wirkende mechanische Schwingungen beansprucht. Die gestörten elasto-hydrodynamischen Schmierungsbedingungen rufen besondere Mischreibungszustände hervor. Zusätzliche Tangentialkräfte durch Gleitreibung erhöhen die Vergleichsspannung nach v. Mises und verschieben ihr Maximum von der Tiefe bei rein radialer Belastung hin zum Rand. Die analytische Rechnung für den gesamten Kontakt liefert einen Übergang bei zunehmendem Reibwert ?: für ?<0,25 bzw. ?>0,25 wird die maximale v. Mises-Spannung nahe an oder direkt auf der Oberfläche erreicht. Gemessene Eigenspannungsverteilungen von schwingungsbelasteten Laufbahnen weisen randnahe (mikro-) plastische Verformung an geglätteten eindrückungsfreien Oberflächen nach. Damit korrelierte Reibungskoeffizienten würden hohe ?-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 und mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation reproduziert werden. Die reibungsinduzierten tangentialen Zugspannungen erreichen ihr Maximum am Auslauf des Wälzkontakts. Ein Beispiel von großer technischer Bedeutung sind Frühausfälle von Windkraftgetriebelagern. In der Literatur wird durch umfassende Schadensanalysen nachgewiesen, dass auf der Laufbahn nahezu vertikale spröde Gewaltbruchanrisse von einer typischen Tiefe um 0,1 mm durch diese schwingungsbedingten Reibzugspannungen ausgelöst werden können. Ihre Berechnung erfolgt ebenfalls auf Basis des eingeführten Kontaktmodells. Da die ursächlichen Zugspannungen in tangentialer Richtung wirken, entstehen bevorzugt axial orientierte Anrisse. Die Analyse erklärt, warum große Wälzlager für diesen Schadensmechanismus besonders anfällig sind. Die Simulation des schwingungsbelasteten Wälzkontakts beruht auf dem tribologischen Modell mikroskopisch variierender Reibungskoeffizienten. Dabei stehen ?> und ?< für lokal erhöhte bzw. niedrige Werte, die intermittierend auf einzelnen Teilgebieten der Hertz?schen Kontaktfläche angenommen werden. Unter dem Einfluss von Schwingungen erreicht der große örtliche Reibungskoeffizient ?> kurzzeitig und lokal beschränkt eine Größe von 0,2 bis über 0,3. Das vereinfachte Finite-Elemente-Modell für die vorliegende Analyse umfasst innerhalb eines Wälzkontakts ein auf der Mantelfläche einer Zylinderrolle umlaufendes Band. Darauf werden dem hohen Reibungskoeffizienten ?> Werte zwischen 0,2 und 0,5 zugewiesen. Abstract In addition to the intended service load, in many applications rolling bearings are affected by externally generated, frequently multi-dimensionally acting mechanical vibrations. The disturbed elasto-hydrodynamic lubrication conditions cause specific mixed friction running conditions. Additional tangential forces by sliding friction raise the v. Mises equivalent stress and shift its maximum from the depth for pure radial load towards the surface. The analytical solution for the entire contact reveals a transition for an increasing friction coefficient ?: for ?<0.25 and ?>0.25, the maximum equivalent stress is located near and directly on the surface, respectively. Residual stress distributions measured on smoothed indentation-free vibrationally loaded raceways indicate near-edge (micro-) plastic deformation. The correlated friction coefficients would correspond to high ? values above 0.25. Based on a tribological model for the rolling (-sliding) contact, the occurrence of two distinguishable types of characteristic residual stress depth profiles can be explained and reproduced by means of a finite element simulation. The frictioninduced tangential tensile stresses reach their maximum at the run-out of the rolling contact. For early failures of wind turbine gearbox bearings as the most important technical example, thorough investigations reported in the literature show that these normal stresses, caused by operational vibrations, initiate preferentially axial brittle spontaneous fractures of typically 0.1 mm depth on the raceway. Those are calculated from the applied contact model as well. As the causative tensile stresses act in the tangential direction, preferably axially oriented cracks are formed. The analysis explains why large bearings are particularly sensitive to this damage mechanism. The simulation of the vibration-loaded rolling contact is based on the tribological model of microscopically varying friction coefficients. Here, ?> and ?< respectively denote locally increased or low values that are generated intermittently in individual subareas of the contact area. Under the influence of vibrations, the large localized friction coefficient ?> ranges locally limited for short periods from 0.2 to more than 0.3. The simplified finite element model of the present analysis involves, within a rolling contact, a circumferential band along the lateral surface of a cylindrical roller. On it, the high friction coefficient ?> is assigned to values between of 0.2 and 0.5. |
| Datum | 2015 |
