SKF führt praxisnähere Theorie ein: Lagerlebensdauer realistisch berechnen

In der Realität ist das jedoch kaum der Fall, denn die dynamische Tragzahl „C“ spiegelt die realen Anwendungsbedingungen nur unzureichend wider. Ein neues Berechnungsmodell von SKF verspricht Abhilfe.

Wälzlager sollen vielen Ansprüchen genügen. Bei einigen Anwendungen steht zum Beispiel ein geringes Reibungsmoment im Fokus; andernorts mag ein niedriger Geräuschpegel entscheidend sein. Häufig steht jedoch die tatsächliche Gebrauchsdauer im Fokus – und die hängt nicht nur von der Qualität des Stahls oder vom Lagerdesign ab. Maßgebliche Faktoren dafür sind außerdem die Schmierung sowie die Dichtwirkung. Das Problem dabei: Die Tragzahl „C“ gibt keinen Aufschluss über diese lebensdauerrelevanten Größen.

Einflussfaktoren auf die Lagerlebensdauer

Beispiel Elektromotor: Hier werden Lager typischerweise mit geringen bis mittleren Belastungen (C/P > 8) und hohen Drehzahlen (n > 1000 min^-1) betrieben. Die Lager in solchen Motoren fallen heutzutage kaum noch wegen Ermüdung des Stahls aus, sondern weil beispielsweise das Ende der Fettgebrauchsdauer erreicht wird. Um diese Frist zu verlängern und gleichzeitig das Reibungsmoment zu senken, hat SKF unter anderem energieeffiziente (E2) Rillenkugellager entwickelt: Deren Reibungsmoment liegt bei solchen Betriebsbedingungen mindestens 30 Prozent unter dem gleichgroßer SKF Explorer Rillenkugellager. Obwohl die E2-Lager niedrigere Tragzahlen als ihre Explorer-Pendants aufweisen, erzielen sie höhere Standzeiten. Denn ihre geringere Reibung verursacht weniger Hitze, was die Fettgebrauchsdauer erhöht und die Dichtungsalterung verlangsamt.

Das zeigt, dass die Kenntnis der Anwendungsanforderungen sowie das Verständnis der verschiedenen Schadensmechanismen für die Lagerkonstruktion von entscheidender Bedeutung sind: Es geht darum, Wälzlager hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens in der späteren Anwendung zu optimieren.

Mit dem neuen „Field Performance“-Programm stößt SKF in diese Richtung vor. Bestandteil dieses Programms ist unter anderem ein innovatives Lebensdauermodell, das das Unternehmen „SKF Generalized Bearing Life Model“ nennt. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Modells, das SKF schon vor über 30 Jahren vorgestellt hat. Heute findet das traditionsreiche Modell zwar weltweit Verwendung, aber es basiert noch auf der klassischen Werkstoffermüdung in der Tiefe. Daraus leitet es die Erlebenswahrscheinlichkeit ab (auf Grundlage einer Weibull-Wahrscheinlichkeitsverteilung) und modifiziert diese durch Einflussfaktoren in Abhängigkeit von unzureichender Schmierung und dem Grad der Verunreinigung.

Ein Nachteil dieses Modells ist, dass neue Erkenntnisse darin nur sehr begrenzt berücksichtig werden können – beispielsweise die Einflüsse von verbesserten Wärmebehandlungsprozessen, neuen Materialien, speziellen Beschichtungen, optimierten Oberflächen und verbesserten Wälzkörper- und Laufbahnprofilen. Deren positive Auswirkungen auf die Lagerlebensdauer lassen sich nicht einfach durch eine Erhöhung der dynamischen Tragzahl „C“ oder durch das Hinzufügen neuer globaler Faktoren zur Lebensdauergleichung abbilden.

Hinzu kommt, dass die meisten Ausfälle heutzutage auf Oberflächenzerrüttung oder Verschleiß aufgrund von Verunreinigung, unzureichender Schmierung oder anderen Betriebsbedingungen zurückzuführen sind. Eindrückungen, Verschleiß, Oberflächenzerrüttung, usw. beeinflussen eine sehr dünne Materialschicht an der Oberfläche im Wälzkontakt, während die klassische Ermüdung des Wälzlagers in der Tiefe beginnt.

Spannungsverteilung im Lager unter Belastung: an der Oberfläche und in der Tiefe

Ergo betrachtet das neue Modell zur Berechnung der Lebensdauer diese beiden Bereiche getrennt: Es unterscheidet zwischen Oberflächen- und Ermüdungsschäden. Dabei fußt es auf tribologischen Erkenntnissen und bezieht Parameter wie Schmierstoffeigenschaften, Verunreinigungen und Oberflächenzustand mit ein.

Die neue Lebensdauer L_10GM setzt sich aus den beiden Funktionstermen f_ss und f_s zusammen, wobei f_ss die Werkstoffermüdung in der Tiefe und f_s die Oberflächenschäden berücksichtigen:

L_10GM=[f_ss(C,R_ss) + f_s(R_s,p₁,p₂,…)]^b

Die dynamische Tragzahl „C“ bleibt in diesem Modell im Funktionsterm für die Werkstoffermüdung erhalten. Der Exponent b ist eine Konstante. Die Funktion R_ss berücksichtigt die äquivalente Lagerbelastung und die Ermüdungsgrenzbelastung. R_s ist ein Parameter, der den Einfluss der Anwendungs- und Umgebungsbedingungen auf die Entstehung von Oberflächenschäden beurteilt. In dieser Funktion werden die Belastung, die Verunreinigung, die Schmierung und Performancefaktoren p₁, p₂,… berücksichtigt.

Schon kleinste Eindrückungen können erhebliche Auswirkungen auf die Lagerlebensdauer haben

Die von SKF entwickelten Performancefaktoren ermöglichen es, die Einflüsse von optimierten Lagerkonstruktionen, speziellen Wärmebehandlungen oder ähnlichem auf die Lebensdauer zu berücksichtigen. Zwar sind bislang nur wenige Faktoren bestimmt, doch wird SKF schon bald zusätzliche Faktoren definieren, die aus numerischen und tribologischen Modellbetrachtungen gepaart mit Versuchsreihen hervorgehen.

Fest steht schon jetzt, dass sich Lagerverhalten und Lagerlebensdauer durch die Berücksichtigung zusätzlicher Schadensmechanismen in einem breiteren Betriebsbedingungsbereich viel realistischer vorhersagen lassen. Das ermöglicht eine extrem anwendungsorientierte Lagerauswahl. Zudem kann das neue Modell dynamisch an künftige tribologische und materialwissenschaftliche Erkenntnisse angepasst werden.

Zugang zum innovativen Modell bekommen Interessierte bald durch die Berechnungssoftware SKF SimPro Quick. Dabei handelt es sich um ein brandneues Ein-Wellen-Berechnungsprogramm, das unter anderem Wellen, Gehäuse, externe Kräfte und Verzahnungen simuliert. Neben der rechnerischen Lagerlebensdauer werden beispielsweise auch Reibungsmomente, Wälzkörperbelastungen und die rechnerische Schiefstellung der Wälzlager infolge der Wellendurchbiegung ausgegeben. Das neue Berechnungsmodell wird in das Programm integriert, sobald die notwendigen Berechnungsfaktoren für die Lager bestimmt wurden.

In das brandneue Ein-Wellen-Berechnungsprogramm SKF SimPro Quick wird das neue „Generalized Bearing Life Model“ von SKF bald integriert.