Wälzlager Mit Reibungsberechnung zu effizienten Systemen

In das weiterentwickelte Berechnungs- und Simulationsprogramm Bearinx von Schaeffler ist nun auch eine neue Funktion zur Reibungsberechnung integriert. Diese ermöglicht die Berechnung der Energieeffizienz unterschiedlicher Lageranordnungen in Anwendungen – Voraussetzung für den optimalen Einsatz reibungsreduzierte Lager.

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Schaeffler Technologies AG & Co. KG

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Zur Berechnung der Wälzlagerreibung hat die Schaeffler Gruppe ein analytisches Modell entwickelt und in das eigene, bereits seit vielen Jahren bestehende Wälzlager-Berechnungsprogramm Bearinx integriert. Bisher standen zwei Möglichkeiten zur Reibungsberechnung von Wälzlagern zur Verfügung: zum einen das Katalogverfahren und zum anderen hochspezialisierte Mehrkörpersimulationsprogramme (MKS-Programme). Bei dem Katalogverfahren handelt es sich um einen empirischen Ansatz der eine schnelle Berechnung des Reibmoments bei niedriger Modellgüte ermöglicht. Die MKS-Programme haben hingegen eine sehr hohe Modellgüte was aber auch entsprechend lange Rechenzeiten bedingt.

Reibungsberechnung basiert auf Elastohydrodynamischer Theorie

Das neue physikalisch gestützte Verfahren verspricht kurze Rechenzeiten und eine gleichzeitig hohe Modellgüte. Es berücksichtigt eine Vielzahl von Einflussgrößen, wie beispielsweise die real auftretende Pressungsverteilung und die innere Lagergeometrie. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit, neben der Lastverteilung und der Lebensdauer auch die Reibmomente von Wälzlagern und damit die Verlustleistung von ganzen Wellensystemen oder Getrieben zu berechnen. So ist es möglich, schon in der frühen Produktentwicklungsphase ein reibungsoptimiertes Lagerkonzept zu wählen.

Die neue Reibungsberechnung berücksichtigt sowohl Roll- als auch Gleitreibung und zwar im Festkörper-, Misch- und Flüssigkeitsreibungsgebiet. Herzstück der Reibungsberechnung ist die Elastohydrodynamische Theorie (EHD). Sie befasst sich mit der Ausbildung eines Schmierfilms in hoch belasteten Kontaktstellen von Körpern, die mit hoher Geschwindigkeit aufeinander abrollen. Dies beinhaltet die hydrodynamische Schmierfilmbildung sowie die elastische Verformung der Kontaktkörper. Da beispielsweise die Pressung, Gleitgeschwindigkeit, Viskosität und Temperatur über der Kontaktfläche eines Kontaktes nicht konstant sind, wird jeder einzelne Kontakt im Lager analysiert. Als Ergebnis stehen dann sämtliche Reibkräfte an den diskreten Punkten der Kontaktfläche zur Verfügung.

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Praxisbeispiel: Reduzierung der Reibung um über 60 Prozent

Das neue Reibungsberechnungsmodell in Bearinx ermöglicht es, in einem frühen Konstruktionsstadium unterschiedliche Wälzlageranordnungen und ihr Potenzial hinsichtlich der Reibungsminimierung zu bewerten. Die reibungsärmste Lösung und ihr Effizienzpotenzial können so dem Kunden aufgezeigt werden.

Teil 2: Ein Praxisbeispiel zeigt, wie sich die Reibung um mehr als die Hälfte reduzieren lässt

Ein Praxisbeispiel soll das verdeutlichen (siehe Bild 3):

Die Gesamtreibung der Lagerung eines Kompressors (2 Wellen) gilt es zu minimieren, während die Randbedingungen hinsichtlich Lebensdauer, Steifigkeit und Bauraum einzuhalten sind. In einem ersten Schritt werden Lagerauswahl und Anordnung optimiert. Auf Welle 1 kann das zweireihige Zylinderrollenlager, das 45 Prozent der Verluste erzeugt, durch ein einreihiges Zylinderrollenlager ersetzt werden. Auf der Druckseite von Welle 1 kann das Zylinderrollenlager ebenfalls durch ein kleiner bauendes ersetzt werden. Das Zylinderrollenlager auf der Saugseite von Welle 2 bleibt unverändert. Auf der Druckseite kommt ein kleineres Zylinderrollenlager zum Einsatz. Das Schrägkugellager wird durch zwei kleinere ersetzt, die nicht mehr radial freigestellt sind. Damit teilt sich die Radiallast auf alle Lager der Welle 2 auf. Die Reibung verringert sich, da kleinere Lager eingesetzt werden und der Betriebsdruckwinkel der Schrägkugellager günstiger wird. Gleichzeitig sinkt der benötigte Bauraum um 25 Prozent. Insgesamt kann die Lagerreibung im ersten Optimierungsschritt um 35 Prozent reduziert werden.

Im zweiten Schritt wird die Schmiegung der Schrägkugellager für diese Anwendung optimiert. Dadurch lassen sich weitere 11 Prozent der Reibung reduzieren. In einem letzten Schritt wird der Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Reibmoment untersucht. In diesem Fall lässt sich die Reibung durch optimierte Oberflächengestaltung um weitere 15 Prozent absenken. Insgesamt lässt sich die Reibung mit Unterstützung von Bearinx um 62 Prozent gegenüber der ursprünglichen Variante reduzieren bei gleichzeitig kleinerem Bauraum für die Lagerungen.

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Bearinx spielt eine Schlüsselrolle für mehr Effizienz in Maschinen

Der Sinn eines Wälzlagers besteht darin, Reibung zu reduzieren und damit Energie zu sparen. Energieeffiziente Lösungen der Schaeffler Gruppe erstrecken sich dabei nicht nur auf Auslegung und Produktion reibungsoptimierter Wälzlager, sondern umfassen insbesondere auch die Entwicklung und den Einsatz von Simulations- und Berechnungswerkzeugen sowie die Analyse und das Verständnis des zu lagernden Gesamtsystems.

Das seit vielen Jahren bewährte und nun weiterentwickelte Berechnungsprogramm Bearinx der Schaeffler Gruppe spielt eine Schlüsselrolle für mehr Effizienz in Maschinen und Aggregaten. Das reibungsärmere Wälzlager ist per se nicht immer die richtige Lösung. Vielmehr müssen Systeme insgesamt betrachtet werden und unter Berücksichtigung aller Rahmenbedingungen optimal ausgelegt werden. Erst so lässt sich der richtige Einsatz von Wälzlagern ermitteln, der dann auch zur maximalen Effizienzsteigerung des Systems führt. Bearinx bietet hierfür den optimalen Ansatz, um die effizienten Lager voll zur Geltung kommen zu lassen. Die Reibungsberechnung mit Bearinx steht den Kunden derzeit über die Beratung durch den Ingenieur-Außendienst der Schaeffler Gruppe bzw. durch die anwendungstechnischen Abteilungen zur Verfügung.

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