Das Wälzlager – Ein einfaches Maschinenelement als aktueller Forschungsgegenstand?

Mit der Erfindung der Kugelschleifmaschine im Jahr 1883 legte Friedrich Fischer vor mehr als hundert Jahren den Grundstein für die industrielle Massenproduktion von Wälzlagern. Ein wesentliches Merkmal des Wälzlagers ist neben dem Einsatz von Rollkörpern zur Verringerung der Verluste, dass das Wälzlager als eine Einheit verbaut werden kann und einer umfangreichen Normung unterliegt. Somit wird das Wälzlager an vielen Stellen als einfaches, austauschbares Element verstanden und eingesetzt. Es gibt jedoch auch zahlreiche Anwendungen, in denen die Auslegung der Wälzlager einen wichtigen Aspekt für die Funktionsfähigkeit der Anlage oder Maschine darstellt.

Seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wurden zahlreiche neue Bauformen von Wälzlagern entwickelt, die durch ihre Eigenschaften neue Einsatzgebiete eröffnen oder technologische Vorteile mit sich bringen (z. B. geringere Verluste, höhere Leistungsdichte). Auch mit der Verbesserung der Fertigungs- und Berechnungsmöglichkeiten steigt die Leistungsfähigkeit der Lager bzw. die Möglichkeit diese bestmöglich auszunutzen. Allerdings ändern sich auch Einsatzbereiche und -bedingungen, so dass die Anwendung stets neue Aufgaben an die Forschung und Entwicklung im Bereich der Wälzlager stellt. Dabei spielt die Vermeidung von ungeplanten Ausfällen eine wesentliche Rolle, da ein Lagerausfall in der Regel auch Stillstand und Ausfall der Maschine oder Anlage bedeutet.

Ein Schadensbild, das in den letzten Jahren stark im Fokus der Forschung stand und immer noch steht, sind Frühausfälle, die vom Schadensbild der White Etching Cracks (WEC) begleitet werden. Dieses Phänomen der weiß anätzenden Rissflanken ist bereits im letzten Jahrhundert bei Motornebenaggregaten bekannt gewesen, die zugrundeliegenden Schadensmechanismen sind aber bis heute nicht vollständig verstanden. In neuerer Zeit werden Lagerfrühausfälle durch WEC insbesondere in Windenergieanlagen beobachtet. Zum Teil müssen hier bereits nach weniger als 10% der berechneten Lebensdauer, also nach ca. 6 bis 24 Monaten Laufzeit, Lager erneuert werden. Aufgrund der dadurch verursachten sehr hohen Kosten, ist das Schadensbild WEC Gegenstand aktueller Forschung sowohl auf industrieller Seite (Lager-, Getriebe- und Schmierstoffhersteller) als auch an zahlreichen Forschungsinstituten. Am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT) der TU Kaiserslautern läuft hierzu aktuell ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördertes Forschungsvorhaben. Darin wird der Einfluss von gezielt aufgebrachten Zusatzlasten auf die Ausbildung des Schadensbildes untersucht (z. B. elektrische Beanspruchung der Lagerung oder axiale Wellenbewegung in Loslagern). In Kooperation mit weiteren Partnern wird dabei eine Abbildung der Betriebsbedingungen auf mehreren Ebenen umgesetzt: Neben den Bauteilversuchen am MEGT erfolgt eine Abstrahierung auf die Ebene des Einzelkontaktes Ring/Wälzkörper sowie die Untersuchungen werkstofftechnischer Vorgänge.

Aber nicht nur Ausfälle durch White Etching Cracks sind Gegenstand aktueller Forschung. Auch die Weiterentwicklung der Berechnungs- und Simulationsmöglichkeiten sind ein wesentlicher Aspekt bei der Auslegung von Lagerungen. Dabei rücken die Wechselwirkungen zwischen Lager und Umgebung immer mehr in den Vordergrund. Diese Einflüsse können mechanischer, tribologischer, thermischer oder auch elektrischer Natur sein. Für die detaillierte Vorhersage des Lagerverhaltens in seiner Umgebung reichen die Auslegungsmethoden nach Norm nicht mehr aus. Aufwendige Simulationswerkzeuge erlauben einen Blick in das Innere der Lager, in jeden einzelnen Kontakt, um potentiell kritische Betriebszustände zu identifizieren oder das Lager entsprechend der Anwendung zu optimieren. Am MEGT werden hierzu beispielsweise Simulationsmodelle für verschiedene Phänomene auf unterschiedlichen Detaillierungsebenen entwickelt und angewendet.

Wesentliche Grundlage zur Vorhersage der lagerinneren Vorgänge ist die Kenntnis der Lagerdynamik. Diese spielt sowohl bei der detaillierteren Kontakt- und Tribologiebetrachtung als auch bei thermischen oder elektrischen Fragestellungen eine wichtige Rolle. Hierfür werden seit über zehn Jahren Dynamikmodelle für Wälzlager entwickelt, die sich genau mit dieser Fragestellung beschäftigen. Die Modelle erlauben die Simulation des Lagerverhaltens unter Berücksichtigung von Umgebungseinflüssen – wie zum Beispiel der Verformung der Lagerumgebung und -ringe – und der tribologischen Eigenschaften der Kontakte. Die Validierung dieser Modelle erfolgt durch zahlreiche Messreihen, in denen Ergebnisgrößen wie Lagerreibmoment oder Schlupf mit den Simulationsergebnissen abgeglichen werden. Darauf aufbauend existieren Modelle zur Vorhersage des elektrischen Verhaltens von strombelasteten Lagern. Diese erlauben eine Bewertung der elektrischen Randbedingungen hinsichtlich schädlichem Stromdurchgang, der nicht nur in E-Maschinen oder Generatoren kritisch sein kann, sondern auch in angeschlossenen Getrieben. Einen tieferen Blick in die Kontakte aus mechanisch-tribologischer Sicht erlauben Tribosimulationsmodelle, mit denen sich Schmierfilmaufbau und Temperaturentwicklung eines Einzelkontaktes genauer berechnen lassen. Auf Basis dieser Modelle ist außerdem die Vorhersage der lokalen Werkstoffbeanspruchung unter dem Wälzkontakt möglich und damit eine genauere, örtlich aufgelöste Werkstofflebensdauervorhersage, die es explizit ermöglicht, den Einfluss von Oberflächenzustand und/oder -schäden auf die Lagerermüdung zu berücksichtigen.

Während die meisten Wälzlager sicherlich als einfaches, einbaufertiges Maschinenelement verbaut werden, zeigen anspruchsvolle Anwendungen, dass Forschung und Entwicklung noch lange nicht abgeschlossen sind. Das Streben nach höheren Wirkungsgraden, besseren Leistungsdichten und neuen Einsatzgebieten eröffnet immer neue Forschungsfragestellungen.

Autor des Artikels

Timo Kiekbusch
Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik
Technische Universität Kaiserslautern