Friction loss optimized rolling bearing for the substitution of heavy- duty taper roller bearings
Final Report Abstract
Fortwährende Bestrebungen der Kraft- und Nutzfahrzeugindustrie beschäftigen sich mit der Senkung von Verbrauch und CO2-Ausstoß. In diesem Kontext werden Wälzlagerungen mit vergleichsweise hoher Reibung, wie zum Beispiel Kegelrollenlager durch Bauformen mit bedeutend geringerer Reibung ersetzt. Für Anwendungsfälle wie u.a. Achsgetriebe in Schwerlastfahrzeugen existieren derzeit noch keine Lösungen zur Reibungsminimierung an den Lagerstellen durch herkömmliche Lagerbauformen. An diesem Punkt hat das Vorhaben angesetzt, um basierend auf der patentierten Bauform des Kegeltonnenlagers einen neuartigen Lagertyp zu entwickeln und damit eine Optimierung hinsichtlich der Reibungsverluste in hochbelasteten Lagerungsarten zu erzielen. Die konstruktive Lagergestaltung erfolgte anhand des Patents von Jacob und weiteren Universalmodellen mit dem Ergebnis, dass der Gestaltungsparametersatz zur Reibverlusminimierung durch 11 Längen- und Winkelvariablen definiert ist. Daraus ist ein vollparametrisches 3D-Modell eines Kegeltonnenlagers in der kommerziellen Mehrkörper-Simulationsumgebung MSC.ADAMS entwickelt worden. Aussgangspunkt hierfür waren bereits am Lehrstuhl vorhandene eigenentwickelte Berechnungsroutinen für Kegelrollenlager. Diese von der MKS-Software ausgelagerten Routinen dienen u.a. zur Kontakterkennung sowie zur Berechnung von Kontaktkräften, Reibung, Geschwindigkeiten und Dämpfungen in den hoch belasteten EHD-Kontakten. Dies geschieht aufgrund von zum Beispiel der Verwendung von Scheibenmodellen in einer präziseren Weise als dies mit den eigenen Kontaktroutinen der MKS-Software möglich wäre. Die Routinen übergeben der MKS-Software zu jedem Rechenschritt einen Datensatz mit Kräften, woraus Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermittelt werden. Außerdem wurden Auswerteroutinen in MatLab programmiert, welche zum einen zur Validerung und zum anderen zur effizienten Auswertung der im Anschluss stattgefundenen Parameterstudie zum Einsatz gekommen sind. In einem ersten Validerungsschritt wurde das entwickelte Modell mit den existierenden experimentellen Ergebnissen eines Kegelrollenlagers 32314A verglichen. Im Rahmen einer Parameterstudie wurde dann der Einfluss der Variablen aus dem Gestaltungsparametersatz auf das Reibmoment sowie auf die Pressung im Wälzkörper-Laufbahn Kontakt untersucht. Dabei lautete die Zielsetzung ein minimales Reibmoment bei zum Kegelrollenlager 32208, das als Vergleichslager bei der experimentellen Validerung fungierte, vergleichbaren Pressungswerten zu erreichen. Als ein Ergebnis ergaben sich Arbeitsbereiche in denen die Lager betrieben werden können. Im Vergleich mit dem Kegelrollenlager 32208 benötigt die optimierte Geometrie eine höhere axiale Vorspannung, gleichzeitig kann diese aber auch höhere Lasten in radiale Richtung tragen. Die optimierte Geometrie wurde anschließend auskontruiert, die zugehörigen Zeichungen abgeleitet und die Prototypen zur Fertigung in Auftrag gegeben. Zur Validierung des Simulationsmodells wurden Prototyplager und Kegelrollenlager am Reibmomentprüfstand vermessen. Bei kombinierter Belastung konnten gute Übereinstimmungen zwischen Simulation und Versuch erzielt werden. Lediglich bei rein axialen Belastungen unterschätzt das KeToLa-Modell, die im Versuch gemessenen Resultate, aufgrund von zum Beispiel fehlender Berücksichtigung der hydraulischen Verluste. Die Resultate für Prototyplager und Vergleichslager liegen in einem ähnlichen Bereich. Weitere experimentelle Untersuchungen mit der aktuellen, sowie einer neuen noch mehr in Richtung Radiallager ausgelegten Optimierungsvariante, sind in weiterführenden Arbeiten denkbar, um das Potential dieser Lagerbauform hinsichtlich Reibungsverlustoptimierung auszuschöpfen.
Publications
- Development of new rolling bearing for heavyduty truck applications. In: Commercial Vehicle Technology 2018 – March 13–15, 2018, Kaiserslautern, Germany
Marmol, M.; Kiekbusch, T.; Sauer, B.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-658-21300-8_28) - Friction losses optimized rolling bearing for substitution of highly loaded tapered rolling bearings. In: Bearing World Conference 2018 – March 6-7, 2018, Kaiserslautern, Germany
Marmol, M.; Kiekbusch, T.; Sauer, B.
