Bestimmung von Kugellager Impedanzen unter stationären Betriebsbedinungen mittels eines weiter entwickelten Wälzkontaktmodells bei Vollschmierung

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Götz; Professor Dr.-Ing. Bernd Sauer
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470273159

Als Folge des zunehmenden Einsatzes von Frequenzumrichtern zur Steuerung von drehzahlvariablen Antriebssystemen, Elektromotoren und Generatoren steigt die Anzahl der der durch parasitäre Lagerströme verursachten Schäden (Riffelbildung, Kraterbildung, Schmierstoffoxydation) in Wälzlagern. Um mögliche Lagerschäden vorherzusagen bzw. zu vermeiden, können elektrische Antriebssysteme mit Ersatzschaltbildern modelliert werden, wobei die relevanten Hauptkomponenten des Motors als kapazitive und resistive Ersatzgrößen berücksichtigt werden. In dieser Betrachtung wirkt das Wälzlager ebenfalls als Kondensator. Sein elektrisches Verhalten hängt deutlich von den Schmierungs- und Reibungszuständen ab. Derzeit ist die Beschreibung der Wechselwirkung zwischen dem tribologischen System und dem sich daraus definierten elektrischen Verhalten eine anspruchsvolle Aufgabe, die durch elektromechanische Modelle des Wälzkontakts mit Hilfe elektrischer Kapazitäten unter Verwendung von Korrekturfaktoren und Korrekturfunktionen realisiert wird. Hierfür werden im Rahmen des Projektes experimentelle und simulative Untersuchungen durchgeführt, um die elektrische Modellierung des Wälzlagers zu verbessern und dadurch die Möglichkeit einer genaueren Modellierung des Antriebssystems zu ermöglichen.Das Themengebiet wird im Rahmen des Arbeitsprogramms in zwei Gruppen (Modellierung und Experiment) und in jeweils zwei Ebenen (Einzelkontakt- und Wälzlagerebene) untersucht. Die Modellierung erfolgt mittels gekoppelter mechanischer und elektrischer Simulation des Wälzkontakts und detaillierter Betrachtung der Berandungseinflüsse (bzw. des Ein- und Auslaufbereichs des Kontakts). Zur Validierung werden experimentelle Ergebnisse mit Hilfe von Impedanz- und Ladungskurvenmessungen verwendet. Parallel dazu werden Grenzen und Anwendbarkeit der entwickelten und bestehenden elektrischen Kontaktmodelle (und Korrekturfunktionen) mit Hilfe der elektrischen Felduntersuchungen ermittelt. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines verbesserten Wälzlager-Impedanzmodells für (zunächst) rein axial belastete Kugellager unter Vollschmierungs-bedingungen. Das validierte Impedanzmodell soll als Grundlage zur Ableitung eines physikalisch basierten elektrischen Wälzlagermodells für kombiniert axial/radial belastete Wälzlager mit Punktkontakt dienen. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die exakte Beschreibung des Betriebszustandes durch die rechnerische und experimentelle Bestimmung der elektrischen Kontaktkapazität im Wälzlager. Untersuchungen des Mischreibungszustandes und elektrischer Alterungsverfahren bzw. von Schädigungsmechanismen sind nicht Gegenstände des Vorhabens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen