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antriebstechnik 8/2017

Antriebstechnik 8/2017

Steigerung der

Steigerung der Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern durch eine innovative Hartbearbeitung Heutige Fertigungsverfahren für Wälzlager ermöglichen die Ausnutzung von Oberflächen- und Randzoneneigenschaften zur Steigerung der Lebensdauer noch nicht optimal. Gegenüber dem Schleifen und Honen der Laufflächen von Zylinderrollenlagern kann durch eine Bearbeitung aus Hartdrehen und Festwalzen eine vergleichbare Bauteilqualität erreicht werden. Durch ein neues Lebensdauermodell können die Eigenspannungen bei der Auslegung der Wälzlager genutzt werden. Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW); Dipl.-Ing. Oliver Maiß ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW; Dr.-Ing. Thilo Grove ist Bereichsleiter Fertigungsverfahren am IFW; Prof. Dr.-Ing. Gerhard Poll ist Leiter des Instituts für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT); Dr.-Ing. Florian Pape ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IMKT; Dipl.-Ing. Timo Neubauer ist Mitarbeiter am IMKT; alle an der Leibniz Universität Hannover Mit Blick auf die Herausforderungen der Zukunft steht der weltweite Maschinenbau vor großen Veränderungen. Neben der Digitalisierung ist die Ressourceneinsparung vor dem Hintergrund des Klimawandels die wohl bedeutsamste Aufgabe der Industrie in den kommenden Jahren. Die weltweiten Ressourcen sind begrenzt und müssen effizient eingesetzt werden. Hierzu müssen technische Systeme energieeffizienter werden und Rohstoffe eingespart werden. Mit Blick auf mechanisch bewegte Maschinen bedeutet dies vor allem eine Reduktion von Reibungsverlusten und Verschleiß,

WÄLZLAGERTECHNIK 01 Reduktion der Lastspannungen bei der Berücksichtigung von Eigenspannungen in der Auslegung von Wälzlagern, a) ohne Eigen spannungen und höheren Lastspannungen, b) mit eingebrachten Eigenspannungen und reduzierten Lastspannungen 0 150 315 470 630 785 940 1100 1250 1410 MPa Eigenspannungen σ Umfang 0 MPa -200 -300 -400 -500 100 200 300 400 µm 600 Abstand von der Oberfläche z 0 150 295 440 587 735 880 1030 1175 1320 MPa Eigenspannungen σ Umfang 0 MPa -200 -300 -400 -500 100 200 300 400 µm 600 Abstand von der Oberfläche z das Einsparen von Werkstoffmengen durch Leichtbauansätze und insbesondere die verlängerte Lebensdauer von Komponenten. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Ressourceneffiziente Konstruktionselemente“ (SPP1551) der deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) werden wissenschaftliche Grundlagen geschaffen, um diese Ziele zu erreichen. An der Leibniz Universität Hannover befassen sich das Institut für Maschinenkonstruktion (IMKT) und das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) mit der Lebensdauerverlängerung von wälzbeanspruchten Bauteilen durch eine alternative Hartbearbeitung. Wälzlager sind eines der wichtigsten Konstruktionselemente im Maschinen- und Anlagenbau. Sie werden nahezu überall dort eingesetzt, wo Rotationsbewegungen mit geringen Wirkungsgradverlusten notwendig sind. In einem Wälzlager rollen die Wälzelemente, z. B. Kugel, Zylinder oder Kegel, auf der Lauffläche des Innen- und Außenrings ab. Durch die Bewegung der Wälzelemente in einem Lager kommt es zu einem zyklischen Wälzkontakt, welcher durch hohe und komplexe Beanspruchungen gekennzeichnet ist. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer hohen Materialhärte, einer geringen Oberflächenrauheit und einer hohen Maßgenauigkeit, um eine möglichst lange Lagerlebensdauer zu erreichen. Oberflächen- und Randzoneneigenschaften von Bauteilen beeinflussen die Lebensdauer in unterschiedlichen Belastungen sowohl positiv als auch negativ. Eine wesentliche Eigenschaft der Randzone sind Eigenspannungen. Dabei handelt es sich um Spannungen im Werkstück, auch wenn keine äußeren mechanischen oder thermischen Belastungen aufgebracht werden. Eigenspannungen können die Ausbreitung von Rissen beeinflussen. So führen Zugeigenspannungen bei einer Überlagerung mit einer Zugbeanspruchung zu einer erhöhten Wälzbeanspruchung und zur Ausbreitung von Rissen. Druckeigenspannungen hingegen reduzieren die Gesamtbeanspruchung des Bauteils. Insgesamt sind die Zusammenhänge zum Einbringen von Eigenspannungen und zu ihren Auswirkungen aktueller Forschungsgegenstand. Theoretische Grundlagen Die Auswirkungen von Eigenspannungen im Wälzkontakt sind seit vielen Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Über den Schmierfilm wird die Kontaktpressung zwischen Wälzkörper und Lauffläche übertragen. Dabei bildet sich ein dreidimensionaler Spannungszustand in den Werkstückrandzonen beider Wälzpartner aus. Das Maximum der Vergleichsspannung wirkt dabei im Inneren der Randzone in einem Abstand von z = 100 bis 200 µm, insbesondere die Schubspannungen haben hier ein ausgeprägtes Maximum. Die zyklische Belastung durch die Vielzahl an Wälzkörperbelastungen führt zu dem von Voskamp [VOSK96] beschriebenen Aufbau von Druckeigenspannungen. In der sogenannten Shakedown-Phase wird das Gefüge verfestigt. In der Steady-State-Phase treten über einen längeren Zeitraum keine Änderungen am Gefüge auf. In der letzten Phase, der Instabilitätsphase, kommt es zu einem weiteren aber unkontrollierten Aufbau von Druckeigenspannungen und das Lager fällt zeitnah durch einen Ermüdungsschaden aus. Durch das Einbringen von Druckeigenspannungen in der Fertigung oder der Shakedown-Phase kann die Phase des stabilen Betriebs erheblich verlängert werden. Theoretisch lässt sich dieser Effekt durch eine Reduktion der schadenskritischen Schubspannungen durch einen eingebrachten hydrostatischen Eigenspannungszustand im Druckbereich nachweisen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde ein FE-Modell eingesetzt, um die Auswirkungen von zuvor eingebrachten Eigenspannungen auf die Lastspannungen im Wälzkontakt zu bestimmen. Für das Modell wird die Randzone einer Lagerlauffläche innerhalb der ersten 200 µm fein vernetzt und Eigenspannungen aufgeprägt. Wird das Lager anschließend durch die mit dem FVA- Programm „Lager 2“ berechnete Pressungsverteilung im Wälzkontakt beaufschlagt, können die Spannungen in der Bauteilrandzone ermittelt werden. Bild 01 zeigt das Ergebnis der Simulation für ein Zylinderrollenlager vom Typ NU206 und einer Belastung von C/P = 4. Dies entspricht einer maximalen Hertz´schen Pressung antriebstechnik 8/2017 61

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