Modell zur Bestimmung der thermischen Beanspruchung von Schmierstoffen in Folge von mechanischen und elektrischen Belastungen im Wälzkontakt

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Binder; Professor Dr.-Ing. Bernd Sauer
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407468812

Als Folge des zunehmenden Einsatzes von Frequenzumrichtern zur Steuerung von drehzahlvariablen Antriebssystemen, Elektromotoren und Generatoren steigt die Anzahl der durch Stromdurchgang beschädigten Wälzlager. Die Folgen des Stromdurchgangs in der Kontaktstelle zwischen Wälzkörper und Lagerlaufbahn sind Kraterbildung und in der Folge Riffeln an den Wälzlageroberflächen. Gleichzeitig wird auch der Schmierstoff beschädigt, im schlimmsten Fall verbrennt er, zumindest aber werden seine Schmiereigenschaften verändert. Derartige Schäden führen zu Ausfällen der Wälzlagerung lange vor Erreichen der berechneten Lebensdauer. Jüngere Forschungsarbeiten konnten Beträge zum Verständnis der Schädigungsmechanismen leisten. Dabei wurden zwei Schadensmechanismen erkannt. Bei einem im Lager aufgebauten isolierenden Schmierfilm kann es zu Überschlägen kommen, die wie Funkenerosion wirken und mikroskopische Krater auf den Laufbahnoberflächen erzeugen, die in der Folge zur Riffelbildung mit Lagerausfall führen können. Ein zweiter Mechanismus ist wirksam, wenn der Schmierfilm die Oberflächen unvollständig trennt und Stromfluss über die metallischen Kontaktflächen stattfindet. Bei diesen Mischreibungsbedingungen wird der Schmierstoff unmittelbar neben den stromführenden Kontaktflächen durch den Stromfluss und die lokale thermische Belastung geschädigt. Der Schmierstoff „verbrennt“, und das Lager wird in der Folge zerstört. Auch hier wird die Riffelbildung beobachtet. Da die realen Kontaktflächen bei mikroskopischer Betrachtung viel kleiner sind als die nominellen Kontaktflächen, ist die lokale Stromdichtebelastung sehr viel höher als bei Bezug auf die Hertz´sche Fläche. Welche Stromdichten in solchen Fällen auftreten, ist bislang noch nicht erforscht worden. Demzufolge ist der Schädigungsmechanismus im Schmierstoff bislang unbekannt. Das Vorhaben soll Schädigungsmechanismen für strombelastete Wälzlager, die im Mischreibungsgebiet betrieben werden, erforschen. Dazu ist es notwendig, die last- und oberflächenstrukturabhängigen realen Kontaktflächen simulativ zu bestimmen. Durch die Bestimmung der realen Kontaktfläche kann dann die Stromdurchgangsfläche im Wälzkontakt bestimmt werden. Die lokal sehr hohe Stromdichte und die dadurch hohen lokalen Temperaturen wirken auf den benachbarten Schmierstoff. Im Arbeitsprogramm wird das Themengebiet sowohl simulativ als auch experimentell in Bezug auf die Oberflächeneigenschaften der Kontaktpartner, das thermische, hydrodynamische, mechanische und elektrische Verhalten des Systems, bestehend aus Wälzlager und Schmierstoff, bearbeitet. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines ortsaufgelösten tribologisch-elektrischen Berechnungsmodells zur Analyse der strombelasteten Kontaktstelle zur Beurteilung der Beanspruchung des Schmierstoffs. Die Untersuchung der chemischen Wirkung des Schmierstoffs unter der thermischen und elektrischen Belastung ist nicht Gegenstand des Vorhabens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen