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Ausgewählte Ausgabe: 10-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Mehrkörpersimulation als Werkzeug zur Analyse der Wälzlagerdynamik

 Investigation of Rolling Bearing Dynamics with Multibody-Simulation


Inhalt: Die Dynamiksimulation von Wälzlagern auf Basis der Mehrkörpersimulation (MKS) ist ein mächtiges Werkzeug zur Analyse dieses Maschinenelementes unter verschiedensten Bedingungen. Sie eröffnet insbesondere für die sichere Auslegung in der Systemumgebung Möglichkeiten, die weit über die genormten Auslegungsverfahren hinausgehen. Dieser Beitrag stellt die am MEGT verwendeten Modellgrundlagen vor und gibt eine Übersicht über die Möglichkeiten der Dynamikmodelle. Die Autoren widmen diesen Beitrag Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer zu seinem 60. Geburtstag. Prof. Sauer hat als junger Professor die Bedeutung dieses Forschungsfeldes erkannt und während seiner akademischen Laufbahn deren Entwicklung stets vorangetrieben.
Abstract: The dynamic simulation of rolling bearings with multibody-simulation is a powerful tool for the investigation of this machine element under different conditions. A safe bearing design in system environments in a key benefit of this approach, which exceeds the standardized design methods. This article presents the modelling fundamentals and possibilities of the dynamic models at the MEGT. The authors dedicate this article to Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer to his 60th Birthday. As young professor, Prof. Sauer realized the importance of this field of research and advanced its development throughout his academical career.

1 Einleitung

Die Vorhersage der Gebrauchsdauer und des Betriebsverhaltens ist eine wichtige Aufgabe im Entwicklungsprozess eines Produktes. Die Nutzung von rechnergestützten Auslegungswerkzeugen ermöglicht die Optimierung von mechanischen Komponenten und die bessere Ausnutzung deren Leistungs- fähigkeit. Dabei ermöglicht die Kopplung verschiedener Simulationsebenen (System, Subsystem, Element) die Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen System und Elementen und erlaubt dadurch genauere Vorhersagen der Belastungs- und Betriebsbedingungen jedes einzelnen Elements.
Die Auslegung von Wälzlagern erfolgt in der Regel hinsichtlich der Ermüdungslebensdauer nach DIN ISO 281. Dabei werden Ermüdungsschäden berücksichtigt, die aus der Tiefe des Werkstoffes ausgehen (subsurface fatigue). Die modifizierte nominelle Referenz-Lebensdauer nach DIN 26281 erlaubt zusätzlich die Berücksichtigung des inneren Lastzustands (z. B. Schief- stellung, Lagerluft), der Schmierungs- und Verschmutzungsbedingungen und abweichende Werkstoffe. Allerdings erfolgt auch hier die Auslegung hinsichtlich der Ermüdung.
In ISO 15243 werden hingegen sechs verschiedene Schadensgruppen mit entsprechenden Untergruppen beschrieben: Ermüdung, Verschleiß, Korrosion, Elektrokorrosion, plastische Deformation sowie Risse und Brüche. Die klassische Auslegung deckt dabei nur einen Teil der ersten Gruppe ab. Mit Hilfe der Dynamiksimulation auf Basis der Mehrkörpersimulation (MKS) können hingegen auch Schäden anderer Gruppe vorhergesagt werden, so dass auch eine Auslegung hinsichtlich dieser Versagensmechanismen erfolgen kann (z. B. Schlupf, Verschleiß, Überlasten, Käfiginstabilitäten oder -brüche usw.). Die Eingangsgrößen für eine klassische Lebensdauerberechnung lassen sich ebenfalls direkt aus der Dynamiksimulation gewinnen. Von besonderer Relevanz wird die Analyse des Wälzlagers in seiner Systemumgebung, wenn signifikante Wechselwirkungen zwischen System- und Lagerverhalten zu erwarten sind, wie beispielsweise bei sehr stark transienten Vorgängen (z. B. Vibrationen, hohe Last- und/oder Drehzahlgradienten) oder großen Verformungen.

2 Dynamiksimulation von Wälzlagern

Die heute verfügbare Rechenleistung ermöglicht eine detaillierte Analyse der Wälzlagerdynamik mit Hilfe geeigneter Modelle und damit ein besseres Verständnis der inneren Vorgänge und Zusammenhänge im Lager. Die Anfänge der computergestützten Wälzlager-simulation wurden bereits 1959 von Jones gelegt [1, 2], der Lastverteilung, Steifigkeit und Ermüdungslebensdauer bei Kugellagern mit Hilfe von quasi-stationären Gleichgewichtsmodellen berechnete. Die Grundlagen der Dynamiksimulation wurden von Walters mit dem Programm BASDAP (Ball And Seperator Dynamics Analysis Program) erarbeitet [3], das die Aufstellung und Lösung der Bewegungsgleichungen der Lagerkomponenten (Lagerringe, Wälzkörper, Käfig) ermöglicht, so dass sich die Bewegungen der Komponenten im Zeitverlauf nachvollziehen lassen. Einen relativ aktuellen Überblick über Grundlagen, Modelle und zukünftige Entwicklungen zur Wälzlagerndynamiksimulation gibt Gupta in [4].
Allgemein müssen bei der Dynamiksimulation vier Hauptaufgaben gelöst werden: Kontaktbeschreibung bzw. -berechnung, Normalkraftberechnung, Berechnung der Tangentialkräfte und das Aufstellen und Lösen der Bewegungsgleichungen. Dazu existieren zwei grundlegend unterschied- liche Herangehensweisen: die Entwicklung einer eigenen Simulationsumgebung, die alle vier Aufgaben umfasst und die Nutzung einer universellen MKS-Software, die um die detaillierten Ansätze zur Lösung der ersten drei Aufgaben erweitert wird.
Die erste Variante kommt beispielsweise bei den Berechnungsmodellen der Wälzlagerhersteller BEAST (SKF), BRAIN (NSK), Caba3D (FAG) und CAGEDYN (Timken) zum Einsatz. Ein Vorteil dieser Variante ist, dass die Kontaktbeschreibungen und der Solver gut aufeinander abgestimmt werden können, um eine hohe Simulationsgüte und -stabilität zu erreichen. Als nachteilig ist zu sehen, dass die Modellierung der lagerumgebenden Bauteile einen höheren Aufwand mit sich bringt, da diese ebenfalls in der Simulationsumgebung abgebildet werden müssen.
Die zweite Strategie – Integration in bestehende MKS-Tools – vereinfacht die Einbindung in die Systemumgebung durch die Möglichkeiten des MKS-Tools deutlich. Zusätzlich kann vom hochentwickelten Pre- und Postprozessing sowie den leistungsfähigen Solvern profitiert werden. Diese Lösungsstrategie wird beispielsweise von der Fa. NTN in ihrem Werkzeug IBDAS verwendet. Auch die am MEGT entwickelten Modelle verfolgen diesen Ansatz und werden im Folgenden genauer vorgestellt.

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Autoren

Dr.-Ing. Timo  Kiekbusch

Gruppenleiter Wälzlager
Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT)
Technische Universität Kaiserslautern
Gottlieb-Daimler-Str.
67663 Kaiserslautern
Tel.:  06 31/2 05-37 17
E-Mail: timo.kiekbusch@mv.uni-kl.de
megt.mv.uni-kl.de

Jun. Prof. Dr.-Ing.  Balázs Magyar

Juniorprofessur Tribologie
Lehrstuhl für Maschinenelemente  und Getriebetechnik (MEGT)
Technische Universität Kaiserslautern
Gottlieb-Daimler-Str.
67663 Kaiserslautern
megt.mv.uni-kl.de

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