Skaleneffekte bei oberflächeninduzierter Wälzermüdung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Florian Pape
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509725088

Insbesondere Beschädigungen von Wälzflächen mit Aufwürfen können Ermüdungslebensdauer wälzbeanspruchter Bauteile, insbesondere von Wälzlagern, signifikant vermindern. Solche Beschädigungen lassen sich bei der Fertigung, bei der Montage und im Betrieb nicht gänzlich vermeiden; eine Beurteilung der zu erwartenden nachteiligen Effekte ist dringend erforderlich, aber bisher nur eingeschränkt möglich. Es ist davon auszugehen, dass es bei der schädlichen Wirkung von Hiebmarken und anderen Oberflächenbeschädigungen in Wälzkontakten einen deutlichen Größeneinfluss gibt, der bisher nicht erfasst wurde. Das beanspruchte Volumen steigt mit zunehmender Lagergröße, ebenso die Anzahl von Einschlüssen im belasteten Gefüge unterhalb des Wälzkontaktes, von denen auch ohne Oberflächendefekte eine Rissentstehung ausgehen kann. Bleibt es bei einer kleinen Anzahl von Beschädigungen, nimmt zudem der Anteil des durch sie hoch beanspruchten Volumens im Vergleich zum gesamten zyklisch beanspruchten Volumen ab. Außerdem wandert das Spannungsfeld aus der Hertzschen Belastung der unbeschädigten Oberfläche weiter in die Tiefe und überlappt sich weniger mit dem Spannungsfeld in der Umgebung der Beschädigung. Daher besteht Grund zur Annahme, dass dieselbe Beschädigung bei großen Lagern das Ausfallrisiko im Verhältnis zum unbeschädigten Lager signifikant weniger erhöht. Dieser Größeneinfluss wurde allerdings bisher weder experimentell systematisch untersucht und nachgewiesen, noch kann er aufgrund verifizierter Berechnungsmodelle zuverlässig quantifiziert werden. Die mittels Simulationen nachgebildete Wirkung einer Oberflächenbeschädigung auf die Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern konnte bisher nur an kleinen Zylinderrollenlagern mit 30 mm Bohrungsdurchmesser experimentell überprüft werden. Für eine sichere Übertragung auf andere Abmessungen fehlt noch ein tieferes Verständnis der Bedeutung der verschiedenen Effekte, die beim schädlichen Einfluss von Oberflächendefekten auf die Wälzermüdung zusammenwirken. Bei kleineren Lagern überlagern sich Eigenspannungen, lokale Spannungsüberhöhungen aufgrund der Geometrie des Aufwurfs und Spannungen unterhalb der Oberfläche aufgrund des Hertzschen Kontaktes derart, dass eine getrennte Betrachtung nur schwer möglich ist. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, gezielte experimentelle und theoretische Untersuchungen auf signifikant größere Lager auszudehnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Gerhard Poll