Transportschäden an Wälzlagern von Maschinen und Fahrzeugen – Welche Auswirkungen haben diese?

Um rotierende Bauteile in Maschinen und Fahrzeugen zu lagern, werden häufig Wälzlager eingesetzt, wobei aufgrund des geringen Wartungsaufwandes und der einfacheren Konstruktion überwiegend fettgeschmierte Wälzlager verbaut werden. Infolge der Globalisierung werden die Maschinen, Fahrzeuge, aber auch einzelne Komponenten vom Produktionsstandort zum Einsatzort über immer weitere Strecken transportiert. Während des Transportes können auf die Wälzlager kritische Last-, Bewegungs-, und Umweltbedingungen einwirken, welche zu sogenannten False-Brinelling-Schäden (Stillstandsmarkierungen) führen können. Im rotierenden Betrieb können diese Vorschäden eine Ursache für Lagerfrühausfälle durch Pittingschäden sein.

Was sind False-Brinelling-Schäden und wie entstehen sie?

Während des Transportes von Fahrzeugen oder Maschinen stehen die eingesetzten Wälzlager still, werden jedoch häufig dynamischen Lasten und/ oder Schwenkbewegungen mit sehr kleinen Amplituden ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen wird der Schmierstoff aus den Kontaktbereichen verdrängt, so dass infolge des Schmierstoffmangels starke Mischreibungsbedingungen entstehen. Gleichzeitig kommt es aufgrund der vorliegenden Kinematik, der einwirkenden dynamischen Kräfte und der Verformungen in den Kontakten zu oszillierenden Mikrogleitbewegungen in den Randbereichen der Kontaktzonen, die im Bereich von weniger als 1 µm bis einige µm liegen. Diese Gleitbewegungen bei starken Mischreibungs- oder Grenzreibungsbedingungen werden als Ursache für die Entstehung von False-Brinelling-Schäden angesehen. Im Bild ist ein charakteristischer False-Brinelling-Schaden am Lageraußenring eines Schrägkugellagers dargestellt.

Wie lassen sich False-Brinelling-Schäden vermeiden oder reduzieren?

Zur Schadensminimierung sollte zunächst versucht werden, die Schadensursachen zu vermeiden bzw. zu verringern. Dazu ist es sinnvoll, die dynamischen Lasten und oszillierenden Wälzbewegungen zu vermeiden oder zumindest deren Amplituden/ Frequenzen bzw. deren Einwirkdauer zu verringern. Außerdem sollten aufgrund des geringeren Nachfließvermögens der Schmierstoffe bei niedrigen Temperaturen Tieftemperaturbereiche vermieden werden. Da dies aufgrund der Umgebungsbedingungen nicht immer realisierbar ist, sind konstruktive Maßnahmen möglich. So konnte durch experimentelle Untersuchungen und transiente 3D-FE-Simulationen an Schrägkugellagern gezeigt werden, dass der aus der inneren Lagergeometrie kinematisch bedingte Schlupf zu erhöhten Beanspruchungen an den Oberflächen führt. Wie im Bild sichtbar wird, treten die Oberflächenschäden insbesondere im Bereich der höchsten spezifischen Reibleistungen und der höchsten Gleitwege auf. Daher sollten unter False-Brinelling-Bedingungen Wälzlager mit hoher Kontaktsteifigkeit (Linienkontakte) und ohne geometrisch bedingtem Schlupf (Kegelrollenlager, Radialzylinderrollenlager) eingesetzt werden.

Darüber hinaus hat die Schmierstoffauswahl einen entscheidenden Einfluss auf das False-Brinelling-Schadensausmaß. Zur Prüfung von Schmierstoffen hinsichtlich ihrer Eignung unter False-Brinelling-Bedingungen wurde am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ein praxisrelevantes Prüfverfahren auf Basis eines neuen Wälzlagerprüfstandes entwickelt. Einige exemplarische Ergebnisse sind im folgenden Diagramm dargestellt, wobei für verschiedene Fette und zwei Öle bei -20 °C und Raumtemperatur das Verschleißvolumen ausgewertet wurde. Anhand dieser Darstellung lässt sich eindeutig erkennen, dass Ölschmierung unkritischer ist als Fettschmierung, wobei die Fette sehr unterschiedliche Ergebnisse liefern. Hier wurde herausgearbeitet, dass mit Fetten, welche ein hohes Ölabgabeverhalten, niedrige Speicher- und Verlustmodule sowie eine geeignete Additivierung aufweisen, eine beachtliche Schadensreduzierung möglich ist.

Welche Auswirkungen haben solche Schäden?

Im rotierenden Betrieb entstehen bei der Überrollung der False-Brinelling-Schäden erhöhte Laufgeräusche, wodurch vorgeschädigte Lager häufig akustisch auffällig und noch vor der Entstehung von Ermüdungsschäden ausgetauscht werden. Mit Hilfe von Wälzlagerlebensdauerversuchen konnte gezeigt werden, dass beachtliche Lebensdauereinbußen durch False-Brinelling-Schäden eintreten können. Dazu wurden auf einem modifizierten FE8-Prüfstand zunächst mit neuen ungeschädigten Lagern als Referenz Ermüdungsversuche bis zum Ausfall durch Pittingschäden gefahren. Anschließend wurden die Versuche bei gleichen Bedingungen mit durch False-Brinelling stark (maximale Verschleißtiefe ca. 3,2 µm) und moderat (maximale Verschleißtiefe ca. 1,6 µm)  vorgeschädigten Prüflagern durchgeführt. Die statistische Auswertung erfolgt im nachfolgenden Weibull-Diagramm, wobei auf der Ordinate die Ausfallwahrscheinlichkeit und auf der Abszisse die Laufzeit eines Versuchs bis zum Ermüdungsschaden dargestellt sind. Die roten Kurven grenzen jeweils die Vertrauensbereiche ab. Für eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 % (Erlebenswahrscheinlichkeit von 90 %) ergeben sich experimentell ermittelte Lagerlebensdauern von ca. L10h,exp = 2.500 h für die ungeschädigten Prüflager und ca. L10h,exp = 150 h bzw. L10h,exp = 720 h für die stark bzw. moderat vorgeschädigten Prüflager. Daraus lässt sich eindeutig ableiten, dass False-Brinelling-Schäden nicht nur höhere Laufgeräusche, sondern auch eine starke Reduzierung der Lagerlebensdauer zu Folge haben können.

Autoren

Dr.-Ing. Christian Schadow, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie, Institut für Maschinenkonstruktion, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Prof. Dr.-Ing. habil. Dirk Bartel, Geschäftsführender Leiter des Institutes für Kompetenz in AutoMobilität – IKAM sowie Leiter des Lehrstuhls für Maschinenelemente und Tribologie, Institut für Maschinenkonstruktion, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

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