Prüfstand zur Untersuchung des Wälzlagerbewegungsverhaltens

Präsentation zum Thema: "Prüfstand zur Untersuchung des Wälzlagerbewegungsverhaltens"—  Präsentation transkript:

1 Prüfstand zur Untersuchung des Wälzlagerbewegungsverhaltens
Lars Holland, Dipl.-Ing.

2 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

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

4 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

5 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

6 Prüfstands- und Messaufbau
Antriebsspindel der Fa. Weiss Leistungsdaten: PMSM (innenliegende Magnete) Polpaarzahl: 2 max. Drehzahl: 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

7 Prüfstands- und Messaufbau
Kopplung Prüfstand und Prüfstandsumgebung Inhalt

8 Prüfstands- und Messaufbau
Hochgeschwindigkeitskamera MotionPro Y4-Speed Grade 3 x 1024; x 256; 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

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

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

11 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: N Öl-Luftschmierung: keine max. Drehzahl: U/min Wasserfalldiagramm/3D-Plot Amplitude Frequenz Drehzahl-Zeit-Diagramm Inhalt

12 Auswertung 1 Pixel = 0,1 mm Hochgeschwindigkeitsaufnahmen
aufgenommen mit 5100 fps Wellendrehzahl U/min  250 Hz Käfigdrehzahl ca 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

13 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

14 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

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

16 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

17 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

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

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

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

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Lars Holland, Dipl.-Ing. | Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Technische Universität Darmstadt Otto-Berndt-Straße Darmstadt Tel.: | Fax: | Internet: Inhalt