Wälzlager auf dem Prüfstand

Doch woher kann er dazu Angaben bekommen, die wirklich realistisch sind?  Der Hersteller Findling Wälzlager liefert sie jetzt auf Grundlage von Testläufen auf einem speziellen Prüfstand Erfahrungswerte zeigen, dass – konstruktionsbedingte und Anwendungsfehler ausgeschlossen – die Lebensdauer von Wälzlagern hauptsächlich vom Schmiermittel abhängt Betrachtet man die am Lager entstehenden Schäden, wenn das Schmiermittel versagt oder der Schmierfilm abreißt, sind zwei Hauptmerkmale zu unterscheiden: kontinuierliche Verschlechterung des Lagerzustandes durch Verschleiß und Ermüdung sowie spontanes Versagen durch Heißlauf oder Blockieren Wälzlager liefert sie jetzt auf Grundlage von Testläufen auf einem speziellen Prüfstand. Erfahrungswerte zeigen, dass – konstruktionsbedingte und Anwendungsfehler ausgeschlossen – die Lebensdauer von Wälzlagern hauptsächlich vom Schmiermittel abhängt. Betrachtet man die am Lager entstehenden Schäden, wenn das Schmiermittel versagt oder der Schmierfilm abreißt, sind zwei Hauptmerkmale zu unterscheiden: kontinuierliche Verschlechterung des Lagerzustandes durch Verschleiß und Ermüdung sowie spontanes Versagen durch Heißlauf oder Blockieren.

Der erste Fall tritt am häufigsten auf; die Ursache ist meist Alterung oder Verunreinigung von Schmiermitteln. Der zweite Fall ist die Folge einer Unterbrechung der Schmiermittelzufuhr. Doch welcher Schaden führt letztendlich zum Versagen des Wälzlagers? Wenn der Schmierstoff versagt oder ausfällt, beginnt der mechanische Verschleiß der Lager: Wälzkörper und Laufflächen werden mechanisch höher belastet und kleine Teilchen abgetragen. Es können sich auch Risse bilden. Lässt man das Lager jetzt noch weiterlaufen, führt dies zwangsläufig zum Bruch. Aber wie lässt sich die Lebensdauer abschätzen? Kann sie rechnerisch ermittelt werden?
Theorie und Praxis – manchmal liegen Welten dazwischen. Denn im Anschluss an theoretische Berechnungen stellt sich die Frage nach der praktischen Reproduzier- und Belastbarkeit. Angesichts der vielfältigen weltweit verfügbaren Lagertypen und -ausführungen zahlreicher Hersteller ist Wälzlagertechnik ein weites Feld. Hinzu kommt, dass sich die Produkt- und Leistungseigenschaften über reine Katalogdaten oft nur unzureichend vermitteln lassen.
Somit stellt sich für Anwender grundsätzlich die Frage nach der Abweichung zwischen theoretischer Leistungsfähigkeit laut Lebensdauerformel und tatsächlicher Leistungsfähigkeit in der Applikation. Der flexible neue Leistungsprüfstand von Findling schafft hier Gewissheit. Er beantwortet zuverlässig, welche Lebensdauer bzw. welche Tragzahl von einem Produkt A garantiert werden kann, welche Lebensdauererwartung Produkt A gegenüber Produkt B hat, und wie sich Produkt A im konkreten Anwendungsszenario in Abhängigkeit von Drehzahl, radialer Belastung, axialer Belastung und Temperatur verhält.
Der Prüfstand besteht aus zwei parallelen Stationen, die jeweils mit zwei Prüflingen bestückt sind. Bei jedem Durchlauf werden damit vier Lager gleichzeitig getestet. Die Prüflast wird radial über ein Hebelsystem aufgebracht. Um die Zahl der prüfbaren Lagertypen und Lastfälle zu erweitern, ist zudem eine Vorrichtung zur axialen Vorspannung integriert. Eine integrierte Ölumlaufschmierung kann unterschiedliche Temperaturvorgaben durch Erhitzung und Abkühlung steuern.

Die dokumentierte Prüfung des Lagerzustandes erfolgt durch die Beobachtung der Geräusch- bzw. Schwingungszunahme und der Temperaturentwicklung am Außenring. Somit lässt sich unter den gleichen Umgebungseinflüssen beispielsweise Folgendes prüfen: Wie viel früher fällt Produkt A gegenüber Produkt B aus? Mit welcher Leistungsklasse erreiche ich meine geforderte Mindestlebensdauer? Welche Eigenerwärmung hat das Lager in meinem Anwendungsszenario maximal? Welche Auswirkung hat die Lagererwärmung auf das Geräuschverhalten? Welche Auswirkungen hat die Wahl der Befettung auf Temperatur und Geräusch?
Parallel zu kundenindividuellen Tests wird der Leistungsprüfstand auch zur kontinuierlichen Qualitätsüberwachung und zur Lieferantenqualifizierung eingesetzt.

Kontakt: Findling Wälzlager, Tel.: 0721 55999 154, Email: redaktion@findling.com, www.findling.com

Weiterführende Informationen zum webcode 5342:

Leistung auf dem Prüfstand

Verlässliche Fakten für Wälzlagertechnik in der Praxis

Theorie und Praxis – manchmal liegen Welten dazwischen. So auch bei der Wälzlager-auslegung. Denn im Anschluss an theoretische Berechnungen stellt sich die Frage nach der praktischen Reproduzier- und Belastbarkeit. Verlässliche Antworten für die unterschiedlichsten Anwendungsszenarien liefert die Findling Wälzlager GmbH, Karlsruhe, mit einem besonders flexiblen Leistungsprüfstand.

Angesichts der vielfältigen weltweit verfügbaren Lagertypen und -ausführungen zahlreicher Hersteller ist Wälzlagertechnik ein weites Feld. Hinzu kommt, dass sich die Produkt- und Leistungseigenschaften über reine Katalogdaten oft nur unzureichend vermitteln lassen. Und so stellt sich für Anwender grundsätzlich die Frage nach der Abweichung zwischen theoretischer Leistungsfähigkeit laut Lebensdauerformel und tatsächlicher Leistungsfähigkeit in der Applikation. Der flexible Leistungsprüfstand von Findling schafft hier Gewissheit. Kunden profitieren von Lebensdauertests für den speziellen Anwendungszweck, aber auch von Produktverglei-chen unter einheitlichen Betriebsbedingungen.
Hierzu wurde ein speziell auf die Anforderungen des Leistungsvergleiches und der Lebensdauerermittlung abgestimmter Wälzlagerprüfstand konstruiert, erprobt und vor kurzem freigegeben. Er besteht aus zwei parallelen Stationen, die jeweils mit zwei Prüflingen bestückt sind. Bei jedem Durchlauf werden damit vier Lager gleichzeitig getestet. Die Prüflast wird radial über ein Hebelsystem aufgebracht. Um die Zahl der prüfbaren Lagertypen und Lastfälle zu erweitern, ist zudem eine Vorrichtung für axiale Belastungen integriert. Eine Ölumlaufschmierung kann unterschiedliche Temperaturvorgaben durch Erhitzung und Abkühlung steuern. Die dokumentierte Prüfung des Lagerzustandes erfolgt durch die Beobachtung der Geräusch- bzw. Schwingungszunahme und der Temperaturentwicklung am Außenring.

Einstellparameter zur Lebensdauerprüfung
Das Hauptziel bei der Entwicklung des Prüfstands war es, die Lebensdauer für jedes Wälzlager in konkreten Belastungssituationen verifizieren zu können. Vereinfacht berechnet sich die Le-bensdauer nach der allgemein gültigen Theorie gemäß DIN ISO 281. Demnach wird die nominelle Lebensdauer nach folgender Gleichung bestimmt:

Dabei ist Lh10 die nominelle Lebensdauer in h, C die dynamische Tragzahl in N, P die äquivalente Belastung in N, a die dimensionslose Steigung der Wöhlerkurve und n die Betriebsdreh-zahl in min-1. Für die Ermittlung der dynamischen Tragzahl eines jeden Wälzlagers wird bereits eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 Prozent und weitere Einflüsse wie Schmierstoff, Schmierfilmdicke und Verunreinigungen berücksichtigt. Diese Gleichung dient auch als Grund-lage der Berechnung der nominellen Lebensdauer nach ABEG. Sie wird hierfür um den ABEG-Faktor erweitert, der den technischen Leistungsunterschied bei der Einstufung in eine der Leistungsklassen beschreibt.
Anhand der Lebensdauergleichung stehen somit zwei Einstellparameter zur Festlegung der Prüfzeit zur Verfügung: die äquivalente Prüflast – sie setzt sich aus einem Axial- und einem Radiallastanteil zusammen – und die Drehzahl. Die Formel zeigt, dass die Prüfzeit mit zunehmender Drehzahl und zunehmender Prüfkraft geringer wird.

Grenzen der Einstellparameter
Jedes Wälzlager hat eine Belastungsgrenze. Dies bezieht sich sowohl auf eine maximale Kraft, als auch auf eine Drehzahl. Um einen allgemein gültigen Zusammenhang für die Lagerlast zu finden, bedienen wir uns zweier Gleichungen:

Mit Gleichung 1 wird die erforderliche dynamische Tragzahl Cerf ermittelt. fL und fn stehen dabei für die Lebensdauer- bzw. Drehzahlfaktoren. Gleichung 2 beschreibt die statische Tragzahl C0 und der Faktor fs steht hier für die statische Kennzahl.
Formt man Gleichung 1 nach P um, ergibt sich, dass P kleiner sein muss, als die Tragzahl multipliziert mit dem Faktor fn / fL. Da der Faktor fL von der erwünschten Lebensdauer abhängt und bei abnehmender Lebensdauer immer geringer wird, würde die formelmäßige Belastungsgrenze über der dynamischen Tragzahl liegen. Es macht somit wenig Sinn, bei der Be-grenzung der Last hier anzusetzen.

Die statische Tragzahl (Gleichung 2), welche niedriger als der dynamische Kennwert ist, hängt nur von einer Last und einem Anwendungsfaktor ab. Dieser berücksichtigt die Betriebsbedingungen. Wenn man mit Hilfe dieser Lagerkenngröße eine Belastungsgrenze festlegen kann, sichert man sich quasi doppelt ab. Zum einen ist die statische Sicherheit im Falles eines Not-Aus oder Ähnlichem gegeben und ein Anfahren unter Last möglich. Zum anderen hat man einen einheitlichen Lastwert, der nicht mehr von der Drehzahl oder der gewünschten Lebensdauer abhängt. Dieser wird zwar unter der tatsächlich möglichen dynamischen Last liegen, so ist aber auch für diesen Fall die Sicherheit gewährleistet. Die Prüflast wird somit als Funktion von der statischen Tragzahl festgelegt. Der Anwendungsfaktor fs wird nach Gleichung 2 be-stimmt.

Analyse der Prüfdatenbank und Auswahl der Lagertypen
Nach dem Erstellen der Prüfdatenbank galt es, einen sinnvollen Bereich zu finden, in dem geprüft werden kann. Der Prüfstand ist so ausgelegt, dass möglichst kurze Prüfzeiten erreicht werden; so musste auch die Datenbank diesbezüglich analysiert werden. Demnach machte es keinen Sinn, die Wälzlagertypen bzw. Durchmesserreihen zu berücksichtigen, bei denen die Prüfzeiten über 100 Stunden liegen würden.

Dies hängt auch von den Belastungsgrenzen ab. Die Analyse ergab, dass aufgrund der Gehäuselagerung der Prüfwellen die Prüflast auf 10.000 N begrenzt wird. Die Drehzahl wird aus demselben Grund auf 10.000 min-1 begrenzt, obwohl viele kleinere Wälzlager mit zum Teil bis zu 100.000 min-1 laufen könnten. Da diese Grenzwerte des Prüfstandes nun bekannt sind, können die daraus resultierenden Lebensdauerzeiten in der Datenbank untersucht werden. Dabei werden Grenzen für den sinnvollen Prüfbereich ermittelt, bei denen die Prüfzeiten im Bereich unter 100 h liegen (siehe Tab. 1). Da die Prüflast rein radial aufgebracht werden soll, muss für einige Lagertypen noch die Möglichkeit einer axialen Vorspannung gegeben sein. So muss zum Beispiel bei einem Schrägkugellager oder Kegelrollenlager eine Mindestaxiallast wirken, welche sich im Betrag aus der Radiallast und dem Druckwinkel ergibt. Der formelmäßige Zusammenhang ist vereinfacht in Tabelle 2 dargestellt. In der Praxis empfiehlt es sich allerdings, eine axiale Vorspannung vorzunehmen, da sich so die Radiallast auf mehrere Wälzkörper gleichzeitig verteilt.

Als nächstes mussten noch die unteren Grenzen des Durchmesserbereichs ermittelt werden. Hier müssen besonders die Prüfwellen betrachtet werden und das Verhältnis vom Durchmesser zur Länge der Welle. Hier ergibt sich, dass ein Prüfwellendurchmesser von unter acht Millimetern nicht sinnvoll ist, zumal diese Welle nur so geringe Radiallasten erlaubt, dass dieses die Prüfzeiten auch wieder weit über 100 h steigen lässt.
Zusammengefasst bedeutet dies: Grundsätzlich sind Wälzlager im Durchmesserbereich von 8 bis 80 mm in komprimierter Zeit prüfbar, die in der Regel die 100 h nicht überschreitet. Radiale Lasten lassen sich bis 10kN, axiale Belastungen bis 20kN aufbringen. Die maximale Drehzahl liegt bei 10.000 U/min. Durch vier parallel laufende Prüflinge können Lebensdauervergleiche und Lebensdauertests durchgeführt werden.