Steigerung der Drehzahleignung von Kegelrollenlagern für den Einsatz in Hauptspindeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519602222

In Hauptspindeln für Schwer und HPC-Bearbeitung, werden Spindellager, hoch genaue Schrägkugellager, zur Unterstützung der rotierenden Welle und zur Kraftübertragung in die Maschinenstruktur eingesetzt. Im Vergleich zu Spindellagern haben Kegelrollenlager eine höhere Steifigkeit und eine höhere Tragfähigkeit, aber eine wesentlich niedrigere Drehzahleignung aufgrund der hohen Reibung im Rolle-Laufbahn- und Rolle-Bord-Kontakt. Dennoch können Kegelrollenlager eine geeignete Alternative für diese Anwendung darstellen. Ziel dieses Vorhabens ist es das bisher begrenzte Wissen über das Betriebsverhalten von Kegelrollenlagern im Hochdrehzahlbereich bei hohen Lasten zu vergrößern. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsempfehlungen für die Auslegung und für den Betrieb von Hochdrehzahl-Kegelrollenlagern abgeleitet. In der ersten Förderperiode wurde das axiale Steifigkeitsverhalten eines Kegelrollenlagers modelliert. Es wurde insbesondere die Reibung im Rolle-Bord-Kontakt als kritische Einflussgröße identifiziert. Zudem wurde ein neuer Lager-Prototyp mit Keramik-Wälzkörpern, optimierter Geometrie und geschmierten Bord am Außenring ausgelegt. Der neue Lager-Prototyp erfüllt jedoch noch nicht die gewünschten Anforderungen im Hochdrehzahlbereich. Das Ausfallen der Lager wurde auf ein reibungsbedingtes Schränken und eine anisotrope thermische Dehnung der Wälzkörper zurückgeführt. Durch eine Erweiterung des vorhandenen Modells sollen diese Einflüsse berücksichtigt werden. Zusätzlich wird eine Berechnung der radialen Steifigkeit ermöglicht. Weiterhin sollen die gemessenen Ist-Geometrien der Wälzkörper im erweiterten Modell eingebunden werden, um den Einfluss von Fertigungstoleranzen auf das Betriebsverhalten bewerten zu können. Zur Klärung der vermuteten Ausfallursachen des Lager-Prototypen, soll das Wälzkörperschränken mit einem neuen Prüfstand, auch unter radialen Belastungen, direkt gemessen werden. Aus den Ergebnissen der Schadensanalyse erfolgt eine Weiterentwicklung des aktuellen Lager-Prototyps. Um den Längeneinfluss auf das Wälzkörperschränken bewerten zu können, wird zusätzlich ein Vergleichslager mit längeren Rollen ausgelegt. Die neuen Lager mit Keramik- und Stahlrollen werden in Kurz- und Langzeitversuchen auch unter Lastkombinationen mit hohen radialen Kräften erprobt. Dabei soll sich zeigen, ob die getroffenen Maßnahmen zielführend sind. Anschließend werden die Erweiterungen des Simulationsmodells mit den Messungen validiert. Abschließend erfolgt die Zusammenfassung der Ergebnisse des Forschungsvorhabens in Form von Empfehlungen einerseits zur Auslegung von Kegelrollenlagern für hohe Drehzahlen und andererseits zu deren sicheren Betrieb bei hohen Drehzahlen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen