Definitionen Ermüdungserscheinungen

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1 Definitionen Ermüdungserscheinungen Messgröße für die Leistung eines Wälzlagers ist die, d. h. die Anzahl der Umdrehungen, die es vor dem ersten Zeichen von Werkstoffabschälung ausführen kann. Neben Fressschäden durch eine unzureichende Schmiermittelversorgung können die Schäden in drei Kategorien eingeteilt werden: TiefenAbschälungen mit Ursprung in der Tiefe OberflächenAbschälungen mit Ursprung an der Oberfläche TiefenAbschälungen mit Ursprung an der Oberfläche TiefenAbschälungen mit Ursprung in der Tiefe Hierbei handelt es sich um den normalen Verschleiß eines Wälzlagers bei normalen Bedingungen, d. h. bei einem vorhandenem Ölfilm, der die Kontaktflächen (Wälzkörper/Laufbahn) trennt. Das Konstruktionsprinzip eines Wälzlagers führt zu Kontakten zwischen Wälzkörpern und Ringen, die sehr hohe spezifische Belastungen erzeugen. Die Hertzschen Pressungen (nebenstehende Abbildung) in dieser Größenordnung bewirken: Druckbeanspruchungen vor allem an der Oberfläche bis zu 35 N/mm 2 Scherbeanspruchungen vor allem in der Unterschicht bis zu N/mm 2 Wälzkörper Beanspruchungen Wälzlagerring Druckbeanspruchung Scherbeanspruchung Tiefe Beim Vorliegen von ordnungsgemäßer Schmierung ( Seite ), Typ EHD, führen die wechselnden Beanspruchungen, denen die Wälzlagerlaufbahnen unterliegen, mehr oder weniger langfristig zum Riss im Kern des Materials. Dieser beginnt bei Einschlüssen in der Unterschicht in einem Bereich, in dem die Hertzschen Pressungen am höchsten sind. Der Riss erscheint im Kern neben einem Einschluss. Der Riss setzt sich an die Oberfläche fort und führt zum Ablösen eines Stahlpartikels, erstes Anzeichen für einen Schaden durch Abschälung. Mikrofotografischer Schnitt: Entwicklung einer Abschälung

2 OberflächenAbschälung mit Ursprung an der Oberfläche Beim Vorhandensein von kleinen harten Partikeln (einige µm bis 5 µm), härter als die Härte von Wälzlagerelementen, d. h. 7 HV, liegt ein Verschleiß der Wälzlagerteile durch den Kontakt MetallMetall vor, eine Folge der nicht immer ausreichenden Schmierung in diesem empfindlichen Bereich. Dies führt zu einer Beschädigung der aktiven Oberflächen in Form einer sehr oberflächlichen Abschälung von einigen Zehntel Mikrometer Tiefe, die eine große Fläche der Wälzlagerlaufbahnen betreffen. Dieser Schadensprozess verläuft langsam. Er ist mit den Auswirkungen vergleichbar, die von einem unzureichenden Ölfilm wegen zu geringer Viskosität verursacht werden. TiefenAbschälung mit Ursprung an der Oberfläche Wenn die Verunreinigung aus größeren Partikeln (zwischen 2 µm und 3 µm, eher noch größer) besteht, führt das Passieren der Partikel zwischen Wälzkörper und Ring zu einer lokalen plastischen Verformung der Wälzlagerlaufbahn. Die Folgen dieser Verunreinigung hängen von der Härte ab. Wenn der Partikel eine ausreichende Duktilität aufweist, kann er sich flach verformen, ohne zu brechen. Wenn die Verunreinigung bruchempfindlich ist, bricht der Partikel beim Kontakt und führt zu einer lokalen plastischen Verformung. Die neuen Fragmente verhalten sich dann wie im 2. Schadensbild beschrieben. Es kommt zu einem Konkurrenzkampf zwischen dem Verschleiß durch die lokale plastische Verformung an der Einlagerung und dem Abrieb durch die Partikelfragmente. 5 µm Schäden durch duktile Partikel Risse Schäden durch bruchempfindliche Partikel Bei der Einlagerung beginnt das Abschälen nicht direkt am Umfang. Es gibt einen geschützten Bereich in der plastisch verformten Zone. Der Riss beginnt oberhalb dieses Bereichs und führt zu einer TiefenAbschälung mit Ursprung an der Oberfläche. Zugbeanspruchung Anfang Risswachstum Einlagerung aplastischer Bereich plastischer Bereich Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Partikel eines verunreinigten Öls, der granulometrischen Entwicklung während des Einlaufens und der Art der Wälzkörper (Rollen oder Kugeln), die mehr oder weniger von Schlupf betroffen sind, ist der Schaden meist eine Mischung aus Tiefen und Oberflächenabschälung mit Ursprung an der Oberfläche. Daher hat SNR einen spezifischen Korrekturkoeffizienten definiert: a 3 pol.

3 2 Definitionen Grundformeln Nominelle Lebendauer Die eines Wälzlagers kann mehr oder weniger genau gemäß den definierten Funktionsbedingungen berechnet werden. Das einfachste Verfahren, das in der ISO 28 empfohlen wird, ermöglicht die Berechnung der, die von % der Wälzlager bei dynamischer Belastung erreicht wird. Das nachfolgende Berechnungsverfahren basiert auf der Ermüdung des Werkstoffs als Schadensursache (TiefenAbschälung mit Ursprung in der Tiefe Abschnitt ). Zur vereinfachten Berechnung der gemäß ISO 28 geht man folgendermaßen vor: Äquivalente dynamische Radiallast P P = X + Y L L = (C / P) p 6 in Umdrehungen oder L = (C / P) p 6 /6n in Stunden Exponent p = 3 bei Kugellagern oder Axialkugellagern Exponent p = /3 bei Rollenlagern oder Axialrollenlagern Man stellt Folgendes fest: wenn P = C, L = Million Umdrehungen Es handelt sich dabei um die Belastung, bei der Wälzlager eine nominelle Lebendauer von einer Million Umdrehungen haben. Diese wird auch dynamische Belastbarkeit genannt. 2

4 3 Definitionen Äquivalente dynamische Belastung P X und Y = in der folgenden Tabelle definierte Lastfaktoren und = Axial und Radiallasten des Wälzlagers Typ winkel Radialkugellager, einreihig, Restlagerluft größer als normal Schrägkugellager, einreihig Vierpunktlager Schrägkugellager zweireihig Pendelkugellager Kegelrollenlager Pendelrollenlager Zylinderrollenlager Axialkugellager, ein oder zwei P = X + Y Querschnitt Baureihe QJ2 QJ A 33..A B33..B B B N..2 N..3 N..4 N.. N..22 N Radialkugellager ein oder zweireihig Kontakt / C,4,28,56,84,,7,28,42,56,4,2,57,86,,7,28,43,57 e,,22,26,28,3,34,38,42,44,2,32,36,38,4,44,4,52,54,4,5,5,68,86 / e X Y,66,2,73 / > e X,56,46,35,37,6,67,62,65,4,67, Y 2,3,,7,55,45,3,5,4,,88,7,52,4,34,23,,,,57,66,7,4,7, 54 seitig wirkend Axialpendelrollenlager 2324,82,2, 3

5 4 Definitionen Dynamische Tragzahl des Wälzlagers Die in der enthaltene dynamische Tragzahl des Wälzlagers wird gemäß der ISO 28 mit folgenden Formeln berechnet: Kugellager (Kugeldurchmesser < 25,4 mm) Rollenlager Axialkugellager (Kugeldurchmesser < 25,4 und α = ) C = f c (i cosα),7 Z 2 /3 D w,8 C = f c (i l cosα) 7 / Z 3 /4 D w 2 /27 C = f c Z 2 /3 D w,8 Hinweis Der Exponent, der sich auf den Durchmesser Dw des Wälzkörpers bezieht, ist größer als der Exponent, der sich auf die Wälzkörperanzahl Z bezieht. Daher kann man die Tragzahl von zwei Wälzlagern mit gleichem Symbol, aber unterschiedlicher Innendefinition nicht vergleichen, wenn man nur die Anzahl der Wälzkörper berücksichtigt. Es müssen auch die anderen Parameter in die Berechnungsformel einbezogen werden. Belastbarkeit von zweireihigen Wälzlagern Bei Wälzlagern mit zwei Reihen Wälzkörpern (i = 2) oder Kombinationen aus zwei einreihigen identischen Wälzlagern entspricht die Tragzahl (Ce) der Kombination der Tragzahl (C) einer Reihe multipliziert mit: für Kugelkombinationen 2,7 =,625 für Rollenkombinationen 2 7/ =,75 Die Kombination zweier Wälzkörperreihen optimiert die Belastbarkeit des Lagers um 62,5% oder 7,5%, je nach Wälzlagerart. Belastbarkeit und damit werden also nicht verdoppelt. 4

6 5 Definitionen 5A Lastfaktoren X und Y Die Bestimmung der Lastfaktoren X und Y zur Berechnung der äquivalenten Radiallast gemäß der ISO 28 ergibt sich aus einer genauen Analyse der Kurve der gleichbleibenden : Es sind die Summen der kombinierten Lasten (Axiallast) und (Radiallast), die zur gleichen führen. P P = F P = X. + Y. Kurve gleicher eines Kugellagers mit Radialkontakt P α P = F Kurve gleicher eines Schrägkugellagers P = X. F + Y. r α : Nennkontaktwinkel (Wälzlager ohne Last) P = X. + Y. P F Kurve gleicher eines Wälzlagers mit zwei Reihen P = X. + Y. 2 2 e.p P 2Y e.p e.p Die theoretischen Kurven der gleichen wurden zur Vereinfachung der Berechnung durch zwei Liniensegmente ersetzt. Die Berechnung der nominellen bei äquivalenter Last P ist eine annähernde Behelfslösung, die je nach Wert des Verhältnisses / mehrere zehn Prozent Abweichung ergeben kann. 5B Axiallastfaktor Y Der Axiallastfaktor Y hängt vom Berührungswinkel des Wälzlagers ab und wird je nach Wälzlagerart unterschiedlich berechnet: α Radialkugellager Der Berührungswinkel ist gleich Null, wenn nur Radiallast vorliegt. Bei Axiallast führen lokale Verformungen der Kontaktzone zwischen Kugeln und Wälzlagerlaufbahnen zu einer axialen Verschiebung der beiden Ringe. Der Berührungswinkel (α) nimmt daher mit der Axiallast zu. Das Verhältnis /C wird zur Berechnung des Werts Y und zur Berücksichtigung der Änderung des Berührungswinkel unter Axiallast verwendet. ( Abschnitt 3). Wälzlager mit Winkelkontakt Der Berührungswinkel ist konstruktiv vorgegeben und ändert sich nur wenig in Abhängigkeit der kombinierten Belastungen. Der Axiallastfaktor Y bei einem gegebenen Berührungswinkel wird in erster Annäherung als konstant angenommen. Schrägkugellager mit einem für alle Lager identischen Berührungswinkel werden mit dem gleichen Lastfaktor Y berechnet. Bei Kegelrollenlagern ändert sich Y je nach Baureihe und Abmessung. Axiallast Axiale Verschiebung Axiallast α 5

7 6 Definitionen Last bzw. Drehzahlschwankungen Wenn ein Wälzlager bei Last oder Drehzahlschwankungen betrieben wird, wird eine äquivalente Last und Drehzahl festgelegt, um die zu berechnen. Konstante Last und variable Drehzahl Äquivalente Drehzahl z n e = t n + t 2 n t z n z mit Σ t i = i = Variable Last und konstante Drehzahl Äquivalente Last n n P e = (t P + t 2 P 2 z t z P z n) /n mit Σ t i = i = Last Zyklische Last und konstante Drehzahl Äquivalente Last Pmax Sinusförmige Last P e =,5 Pmin +,7 Pmax Pmin Last Zeit Pmax Lineare Last P e = / 3 (Pmin + 2 Pmax) Pmin Zeit Wenn Drehzahl und Last variabel sind, berechnet man die pro Einsatzperiode und anschließend die gewichtete für den gesamten Zyklus. Konstante Last und variable Drehzahl Gewichtete L= (t / L + t 2 / L t z / L z ) mit Σ t i = z i = mit: t i n i P i L i p p Einsatzperiode Drehzahl für Einsatzperiode t i Last für Einsatzperiode t i für Einsatzperiode t i 3 für Kugellager und Axialkugellager /3 für Rollenlager und Axialrollenlager 6

8 7 Definitionen Berechnung einer Wellenlagerung mittels 2 Wälzlagern mit Winkelkontakt Welle, ohne Vorspannung gelagert auf 2 einreihigen Wälzlagern, auf die axiale und radiale Kräfte wirken. 7A Radiales Kräftegleichgewicht der Welle Berechnung der Radiallasten und 2, die auf die Lastangriffspunkte der Wälzlager wirken, um die Welle statisch radial ins Gleichgewicht zu bringen. OAnordnung di XAnordnung De 2 2 RQ a A RQ a2 RQ a A RQ a B Axiales Kräftegleichgewicht der Welle Die Laufbahnen von Rollenlagern mit Winkelkontakt stehen schräg. Daher erzeugen die Radiallasten und 2 eine axiale Reaktionskraft, die sogenannte induzierte Axialkraft. Wenn beim Rollenlager die induzierte Axialkraft die Richtung der äußeren Axialkraft A aufweist, lautet das Kräftegleichgewicht der Welle: A + RQ a = RQ a2 Mit RQ a und RQ a2 ergeben sich die in der folgenden Tabelle auf die Rollenlager wirkenden Axialkräfte: Lastfall: A + ( / 2 Y )> (2 / 2 Y 2 ) Wirkende Axialkraft Rollenlager weist Luft auf Rollenlager Rollenlager 2 RQ a = / 2 Y RQ a2 = A + ( / 2 Y ) In der Berechnung verwendete AxiallastKomponente der äquivalenten dynamischen Belastung = Abschnitt 3 2 = RQ a2 Lastfall: A + ( / 2 Y )< (2 / 2 Y 2 ) Wirkende Axialkraft In der Berechnung verwendete AxiallastKomponente der äquivalenten dynamischen Belastung Rollenlager 2 weist Luft auf Rollenlager Rollenlager 2 RQ a = (2 / 2 Y 2 ) A RQ a2 = 2 / 2 Y 2 = RQ a 2 = Abschnitt 3 7