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Wälzlager kommen in den verschiedensten Anwendungen zum Einsatz und tragen erheblich zur Funktion rotierender Systeme in Maschinen, Antrieben und Fahrzeugen bei. Obwohl die Vorgänge in Wälzlagern und Wälzführungen –auch bei stationärer Belastung– vornehmlich dynamischer Natur sind, liegen darüber nur unzureichende Kenntnisse vor. Trotz ihres einfachen Aufbaus sind die inneren Bewegungsverhältnisse und Reibungsmechanismen sehr komplex.

Die Mehrkörpersimulation (MKS) bietet eine geeignete Basis, um dynamische Vorgänge in Wälzlagern zu untersuchen. Die Dynamik-Simulation auf Basis der Mehrkörpersysteme hat in den vergangenen drei Jahrzehnten zu großen Fortschritten bezüglich des Funktionsverständnisses von Maschinenelementen mit Gleit-Wälz-Kontakten, wie beispielsweise Wälzlagern geführt. Mit dieser Technologie lassen sich Wechselwirkungen und Phänomene im Inneren der Elemente nachvollziehen und verstehen, die mit experimentellen Ansätzen nur schwer oder gar unmöglich zu erfassen sind. Das Potenzial dieser Technik ist insbesondere in einer optimierten und verkürzten Produktentwicklung, aber auch in einer verbesserten Beurteilung von Schadensfällen zu sehen. Die Qualität der getroffenen Voraussagen steht allerdings in direktem Zusammenhang mit der Güte der verwendeten Modelle.

Eigenschaften der Lagermodelle

Mit dem kommerziellen Mehrkörpersimulationsprogramm ADAMS verfügt der Lehrstuhl über ein leistungsfähiges Berechnungstool, mit dem Phänomene im Wälzlagerinnern theoretisch untersucht und analysiert werden können. Bei den vom MEGT entwickelten Wälzlagersimulationsmodellen handelt es sich um 3D-Mehrkörpermodelle, die unter Berücksichtigung tribologischer Effekte im Kontakt zwischen Wälzkörpern und Laufflächen bzw. Käfig entwickelt wurden. Die Basismodelle aus Starrkörpern (Wälzkörper, Innen- und Außenringe) mit elastischen Kontakten gestatten es, auf die zu betrachtenden Lager beliebig kombiniert komplexe Belastungen aufzugeben und entsprechende Größen (Kinematik, Kräfte, Schmierfilmhöhen u.a.) zu untersuchen. Im Folgenden sind einige Eigenschaften der am MEGT vorhandenen Lagermodelle aufgeführt:

Allgemein

• Vollparametrische Modelle: Durch Parametrisierung relevanter Lagergrößen (Geometrien, Werkstoffe, Schmierstoff, Temperatur u.a.) können die Geometrien und die Umgebungsbedingungen angepasst werden.
• Modularer Aufbau der Modelle: Der modulare Aufbau der Modelle ermöglicht es, die intern zur Berechnung von Kontaktkräften verwendeten Routinen dem Ziel der Analyse anzupassen.
• Implementierung eigen entwickelter Routinen zur Kontaktpunktfindung und Berechnung von Normal- und Reibkräften.
• Verwendung von analytischen Ansätzen zur Beschreibung von tribologischen Kontakten aufgrund der Anforderungen an die Dynamiksimulation.
• Abgleich der Wälzlagersimulationsmodelle mit Hilfe von Messergebnissen aus dem Reibmomentprüfstand und Käfigdynamikprüfstand.
• Durch den Einsatz eines kommerziellen MKS-Systems können die komplexen Lagermodelle in ein Gesamtsystem (z. B. in ein Getriebe) eingebaut werden.

Vorhandene Lagermodelle

Lager mit Punktkontakten

• Rillenkugellager
• Einreihiges Schrägkugellager
• Zweireihiges Schrägkugellager
• Vierpunktlager

Lager mit Linienkontakten

• Zylinderrollenlager vom Typ N, NJ, NU, NUP

Literatur:

• Hahn, Kersten: Dynamik-Simulation von Wälzlagerkäfigen, Diss. TU Kaiserslautern, Shaker Verlag, Reihe Konstruktionstechnik 2005, ISBN 3-8322-3760-7.
• Teutsch, Roman: Kontaktmodelle und Strategien zur Simulation von Wälzlagern und Wälzführungen, Diss. TU Kaiserslautern, Maschinenelemente und Getriebetechnik Berichte Bd. 01/2005, ISBN 3-936890-73-0.