Betriebszustandsabhängige Modellierung der elektrischen Impedanz von Zylinderrollenlagern zur sensorischen Nutzung unter Berücksichtigung von Mischreibung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckhard A. Kirchner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556577310

Ziel des Antrags ist das Verständnis der elektrischen Impedanz von Wälzlagern mit käfiggeführten Zylinderrollen und deren sensorisches Verhalten über den gesamten Betriebsbereich. Zentraler Bestandteil ist dabei die phänomenologische Beschreibung der Kapazität und des Widerstands des Linienkontaktes mit Verzicht auf jegliche Korrekturfaktoren. Ein Fokus liegt auf dem Wälzkörper-Bord-Kontakt, dessen axiallastabhängiger Einfluss auf die Impedanz bisher nicht näher untersucht wurde. Außerdem wird der Einfluss von leitfähigen Käfigen untersucht, welcher auch für Rillenkugellager im Stand der Forschung noch nicht ausreichend beschrieben ist und sich am Massivkäfig eines Zylinderrollenlagers untersuchen lässt. So werden durch das vorgeschlagene Vorhaben wichtige Forschungslücken im Bereich des elektrischen Verhaltens von Rollenlagern einschließlich des bisher kaum untersuchten Mischreibungsbetriebs geschlossen. Ferner wird die Hypothese, dass niedrige Messspannungen keinen Einfluss auf Nutzungs- und Gebrauchsdauer von Wälzlagern haben, überprüft. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die folgenden Forschungsfragen (FF) in zugeordneten Arbeitspaketen bearbeitet: FF 1: Wie lässt sich die Impedanz des Zylinderrolle-Laufbahn-Kontakts und des Zylinderrolle-Bord-Kontakts bei Verzicht auf Korrekturfaktoren für den Betrieb in der hydrodynamischen Schmierung phänomenologisch modellieren? FF 2: Welche phänomenologischen Modelle bilden das elektrische bzw. sensorische Verhalten von Zylinderrollenlagern bei Betrieb in der Mischreibung hinreichend genau ab? FF 3: Wie beeinflussen leitfähige, rollengeführte Massivkäfige die elektrische Feldverteilung und die resultierende Wälzlagerimpedanz, insbesondere bei niedrigen Lasten? FF 4: Verursacht die Impedanzmessung elektrisch bedingte Gefügeveränderungen? Bei der theoretischen Modellbildung der phänomenologischen Zusammenhänge kommen analytische, aber auch semi-analytische und bewährte empirische Gleichungen zum Einsatz. Zudem ist die Verwendung numerischer Simulationen zielführend, um Teile des Models isoliert zu betrachten und zu verifizieren. Eine Variation der Lagergrößen erlaubt das Verifizieren der Geometrieeinflüsse, während die Änderung der Beanspruchung auf die übrigen Impedanzeinflüsse abzielt. Von einer Variation des Schmierstoffes und der Untersuchung des neuen Referenzschmierstoffs (FVA Projekt 852-II) wird abgesehen, da die Vergleichbarkeit mit der Literatur nicht gegeben ist. Das Kippen und Schränken der Rollen wird nicht untersucht, weil diese Effekte am Prüfstand nicht gezielt eingestellt und Modelle nicht verifiziert werden können. Eine abschließende Verifikation der Modelle ist als AP 5 vorgesehen. Am Ende des Projekts steht ein verifiziertes Berechnungsmodell zur Verfügung, welches die Impedanz von einreihigen, kombiniert belasteten Kugel- und Zylinderrollenlagern berechnet. Dieses soll der Öffentlichkeit in Form eines Open-Source Repositoriums zur Verfügung gestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen