Prüfstand zur Untersuchung des Wälzlagerbewegungsverhaltens Lars Holland, Dipl.-Ing. holland@ptw.tu-darmstadt.de

Inhalt Motivation und Zielstellung Prüfstands- und Messaufbau Grundlagen Wälzlagerung – Lagerkinematik Grundlagen Wälzlagerung – Käfigspiel und Orbitalbewegung Prüfstands- und Messaufbau Prüfstand Hochgeschwindigkeitskamera Kopplung Prüfstand und Prüfstandsumgebung Audioaufnahmen und Beschleunigungssensorik Auswertung Vorgehen Auswertung Audioaufnahmen und Messdaten Ergebnis Auswertung Audioaufnahmen und Messdaten Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Vorgehen Bildauswertung – Grundsätzliches Zhou-Operator Star-Operator Ergebnis Auswertung Testlager Anpassung Prüfstand Ergebnis Auswertung – Stützlagerung Stabiles Bewegungsverhalten instabiles Bewegungsverhalten Kontakt PTW

Motivation und Zielstellung Unerwünschte Wälzlagergeräusche Käfiginstabilität Wälzlagerschaden  Käfigbrüche Unbekanntes Bewegungsverhalten Bildquelle: www.nskeurope.de Zielsetzung Identifikation der Ursachen für Käfigrasseln und Käfiginstabilität Verständnis hinsichtlich des Käfigbewegungsverhaltens Handlungsempfehlungen für die Wälzlagergestaltung Inhalt

Motivation und Zielstellung Grundlagen Wälzlagerung – Lagerkinematik Einflussfaktoren in Schrägkugellagern Lagerspiel Vorspannung (axial) Drehzahl Temperatur Schmierung externe Kräfte/Lasten Zentrifugalkraft Vorspannung Zentrifugalkräfte erhöhen den Kontaktwinkel αi und verringern den Kontaktwinkel αo. Die Vorspannung erhöht den Kontaktwinkel Temperaturdifferenz führt zu einem verringerten Kontaktwinkel α0 – Nominaler Kontakt Winkel α* – Kontaktwínkel unter Vorspannung α* – Kontaktwínkel unter Vorspannung und Temperatur Inhalt

Motivation und Zielstellung Grundlagen Wälzlagerung – Käfigspiel Käfigtaschen und Käfigführungsspiel bestimmen den Bewegungsradius des Käfigs typische Werte ~ 0,5 mm Bewegung Käfigmittelpunkt – Käfigorbitalbewegung stabil instabil Bildquelle: Boesiger et al. - An Analytical and Experimental Investigation of Ball Bearing Versuchsbedingungen: Drehzahl: ~ 4000 U/min Wälzlager: Wellendurchmesser: 30 mm Außendurchmesser: 62 mm Inhalt

Prüfstands- und Messaufbau Antriebsspindel der Fa. Weiss Leistungsdaten: PMSM (innenliegende Magnete) Polpaarzahl: 2 max. Drehzahl: 20000 rpm Motornennstrom: 42 A (eff) Drehmomentkonstante: 0,9 Nm zu untersuchendes Wälzlager Spindellager 7014 Spindellager 71914 Zylinderrollenlager 1014 Öl-Luft-Zufuhr Kupplung Vorspanndeckel Loslagerbuchse Spindellagerbock Welle Gehäuse Stützlager (HC 6206) Prüfbock Grundplatte Inhalt

Prüfstands- und Messaufbau Kopplung Prüfstand und Prüfstandsumgebung Inhalt

Prüfstands- und Messaufbau Hochgeschwindigkeitskamera MotionPro Y4-Speed Grade 3 5100 fps* @ 1024 x 1024; 18700 fps* @ 1024 x 256; 165000 fps* @ 1024 x 8 ; Triggerfähigkeit Ringspeicher Pre- and Posttrigger Burstfunktion (BROC-Burst-Record-ON-Command) *fps: Frames per Second – Bilder pro Sekunde Pre-Trigger Post-Trigger Zeit T –Triggerzeitpunkt gesamte Aufnahmezeit T BROC-Länge BROC-Länge A B T T Zeit T T gesamte Aufnahmezeit: A + B Inhalt

Prüfstands- und Messaufbau Audioaufnahmen Audio-Aufnahmen mit handelsüblichem Mikrofon und Verstärker Aufnahme über Messrechner Abtastfrequenz: 44100 Hz Audio-Aufnahmen mit Messmikrofon Aufnahme über DSpace und Messrechner Abtastfrequenz: 20000 Hz Beschleunigungssensorik Sensortyp 4520 Gewicht: 2,9 g Sensitivität (@159,2 Hz): 1 mV/ms-2 bzw. 10 mV/g Frequenzbereich (x, y, z): 2 Hz – 7000 Hz Messbereich (± peak): 500 g Resonanzfrequenz: 30-40 kHz Bildquelle: Brüel & Kjaer Inhalt

Auswertung Vorgehen Auswertung Audioaufnahmen und Messdaten Synchronisierte Audiodatei Fast Fourier Transformation (FFT) Wasserfalldiagramm/3D-Plot Messdaten Auswertung Drehzahl-Zeit-Diagramm Inhalt

Wasserfalldiagramm/3D-Plot Drehzahl-Zeit-Diagramm Auswertung Ergebnis Auswertung Audioaufnahmen und Messdaten Wälzlager: Hersteller: FAG Lagertyp: Schrägkugellager Bezeichnung: HCB 7014-EDLR-T-P4S-UL Vorspannung: 530 N Öl-Luftschmierung: keine max. Drehzahl: 15000 U/min Wasserfalldiagramm/3D-Plot Amplitude Frequenz Drehzahl-Zeit-Diagramm Inhalt

Auswertung 1 Pixel = 0,1 mm Hochgeschwindigkeitsaufnahmen aufgenommen mit 5100 fps Wellendrehzahl 15000 U/min  250 Hz Käfigdrehzahl ca. 7500 U/min  125 Hz  ca. 41 Bilder pro Umdrehung Auflösung 1024 x 1024 ca.102 mm 1024 1 Pixel = 0,1 mm ca.102 mm 1024 Inhalt

Auswertung … x x x Vorgehen Bildauswertung – Grundsätzliches Bild 1 - Detektion Käfigaußenkante Bestimmung des Käfig-Mittelpunktes Bild 2 - Detektion Käfigaußenkante Bestimmung des Käfig-Mittelpunktes x … Bild n - Detektion Käfigaußenkante Bestimmung des Käfig-Mittelpunktes Inhalt

Auswertung x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Vorgehen Bildauswertung – Zhou-Operator x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Inhalt

Auswertung Vorgehen Bildauswertung – Star-Operator Iteration iteratives Vorgehen, Start bei Mittelpunkt COM exakt zeitaufwändig Inhalt

Auswertung Exemplarisches Ergebnis Auswertung Wälzlager 71914/7014/1014 Zhou-Operator: je 200 vertikale und horizontale Sehnen Drehzahl 3000 U/min Kein Rasseln hörbar Rasseln hörbar Kein signifikanter Unterschied im Käfigbewegungsverhalten feststellbar. Inhalt

Anpassung Prüfstand Modifikationen Untersuchung des Testlagers Gehäuse Stütz- lager 1 lager 2 Welle Loslagerbuchse Vorspanndeckel Untersuchung des Testlagers verkürzte Welle Untersuchung der Stützlager LED-Spot Wälzlager: GMN B 6206 Wellendurchmesser: 30 mm Außendurchmesser: 62 mm Inhalt

Auswertung nach Modifikation Ergebnis Auswertung – Stützlagerung Zhou-Operator: je 200 vertikale und horizontale Sehnen Drehzahl 3000 U/min Kein Rasseln hörbar Rasseln hörbar Inhalt

Auswertung nach Modifikation Ergebnis Auswertung – Stützlagerung – stabiles Bewegungsverhalten kreisförmige Umlaufbahn abwechselnd auf zwei Bahnen umlaufen gleichmäßige Geschwindigkeit Inhalt

Auswertung nach Modifikation Ergebnis Auswertung – Stützlagerung – instabiles Bewegungsverhalten chaotische Umlaufbahn Schlaufen ungleichmäßige Geschwindigkeit Inhalt

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Lars Holland, Dipl.-Ing. holland@ptw.tu-darmstadt.de +49 6151 | 16 54 80 Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße 2 64287 Darmstadt Tel.: +49 61 51 | 16 21 56 Fax: +49 61 51 | 16 33 56 E-Mail: info@ptw.tu-darmstadt.de Internet: www.ptw.tu-darmstadt.de Inhalt