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Warum sich die Welt dank Tribologie dreht

Durch das Sponsoring des fünften Tribologie-Weltkongresses hat SKF die Bedeutung dieser Wissenschaft für die nach den Prinzipien von Reibung, Schmierung und Verschleiß funktionierenden Lager und Systeme hervorgehoben. In Turin wurde deutlich, welchem Ziel die Kooperation von SKF mit Kunden und Universitäten dient: Das Wälzlager-Wissen soll vertieft werden, um die Leistung von Kundenanwendungen zu steigern.

  Autoren: Elaine McClarence und Walter Verhaert, Technische Redakteure

Schmierstoffe Maschinen und Anlagen Wartung Zuverlässigkeit Forschung und Theorie Wälzlager

Zusammenfassung

Beim fünften Tribologie-Weltkongress, der von SKF gesponsert wurde, hat sich gezeigt, wohin sich Wissenschaft und Technik bei interaktiven, sich in Relativbewegung zueinander befindlichen Oberflächen entwickeln. Bei diesem wichtigen Treffen der führenden Wissenschaftler wurden Themen behandelt, die starken Einfluss auf unser Alltagsleben haben, denn sie betreffen die Autos, die wir fahren, die Transportmittel, die wir benutzen, und die Maschinen und Anlagen, die unser modernes Leben ermöglichen. Die immer höhere Leistung, die von der Industrie verlangt wird, hat Konsequenzen, da Lager überall eingesetzt werden. Höhere Drehzahlen, Temperaturen und Leistungsdichten, dünnflüssigere Schmierstoffe, größere Lager und aggressivere Umweltbedingungen oder Additive sowie stärkere Schwingungen setzen voraus, dass Ingenieure die Tribologie von Lagern besser verstehen, damit die Konstruktionen von heute und morgen die an sie gestellten Erwartungen erfüllen können.

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INSA LYON

Imperial College London

Für Wälzlager und verwandte Systeme ist die Tribologie ein wichtiges Forschungsfeld. Durch die Verringerung von Reibung und Verschleiß lassen sich positive Effekte erzielen, die dazu beitragen, Energie einzusparen, die Umwelt zu schonen, die Lebensdauer von Maschinen und Anlagen zu verlängern und die Betriebs- und Wartungskosten über die gesamte Lagerbetriebsdauer niedrig zu halten.

Das in der Tribologieforschung erworbene Wissen fließt in die Konstruktion sämtlicher Arten von Wälz- und Gleitlagern ein. Bei Wälzlagern ist es nicht nur hilfreich bei der Auswahl von Schmierstoffen (Schmierölen und -fetten) für eine bestimmte Anwendung, sondern auch bei der Lagerkonstruktion, der Auswahl der Lagerwerkstoffe und ihrer Oberflächen, bei Reibungsverlusten und Temperaturanstiegen und letztlich auch im Hinblick auf die Lebensdauer des eigentlichen Lagers, des Schmierstoffs und des Dichtungssystems.

Die beim Tribologie-Weltkongress gehaltenen Fachvorträge spiegeln die große Bandbreite der praktischen und empirischen Forschungsarbeit von SKF wider. Sie reicht von der Lösungsfindung bei speziellen Kundenproblemen über den Einsatz modernster Modellierungsprogramme und die gemeinsame Forschungstätigkeit mit Universitäten bei der Entwicklung von Verfahrenstechniken zum besseren Verständnis der Mechanismen der Schmierfilmbildung und Schadensentwicklung bis hin zu den wissenschaftlichen Forschungsaktivitäten von SKF selbst, mit denen das Unternehmen seine Kompetenz auf dem Gebiet Bewegungstechnik festigt.

Der Kunde im Fokus
Die Veröffentlichung zum Thema Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor (1) stellt ein Beispiel für eine kundenorientierte Forschungsarbeit dar. SKF-Forscher haben ein Simulationsverfahren entwickelt, mit dem sie die Wirkung einer realen Oberflächengeometrie auf die Schmierfilmdicke von Wälzlagern analysieren können. Auswirkungen von Eigenschaften einer Lagerkomponente, wie beispielsweise ihrer Welligkeit, Ovalität, Rauheit und realen Oberflächentopografie, auf die tribologischen Parameter eines Lagers wurden mit Hilfe des Simulationsmodells BEAST (BEAring Simulation Tool, siehe Seite 21) durchgeführt. Anhand detaillierter Mehrkörpersimulationsmodelle wurden die Effekte beurteilt, die infolge von Variationen der Lagereigenschaften innerhalb vorgegebener Grenzen entstanden. Die Wirkung der realen Oberflächentopografie wurde als Veränderung der lokalen Kontaktbedingungen errechnet, wobei dem entsprechenden Körper des virtuellen Modells interferometrische Oberflächenmessungen hinzugefügt wurden. Das Ergebnis dieser Forschung ist, dass Konstrukteure beim Entwurf einer neuen Lagerkonstruktion nun Oberflächeneigenschaften in ihre Berechnungen aufnehmen können. „Die Oberflächeneigenschaften können bereits im frühen Entwurfsstadium als Schlüsselfaktor berücksichtigt werden, und die Optimierung der analysierten Parameter wirkt sich positiv auf die Leistung eines Lagersystems aus”, so die Autoren dieses Forschungsbeitrags.

Um ein weiteres kundenorientiertes Forschungsprojekt geht es in der Publikation Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed (2). Hier stellen die Autoren ein Projekt vor, bei dem die Fettschmierung von schnell umlaufenden Lagern untersucht wird. Die Zielsetzung hierbei ist, die Fettgebrauchsdauer unter diesen Betriebsbedingungen zu verlängern. Die Fettschmierung ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Schmierung der Hochgenauigkeitslager von schnell umlaufenden Werkzeugmaschinenspindeln, jedoch ist ihr Einsatz durch die kurze Gebrauchsdauer des Schmierfetts begrenzt, sobald sich die Geschwindigkeit n x dm-Werten von 2 Millionen nähert. Aufwendigere Spindelausführungen und die damit verbundenen Kosten der Öl-Luft-Schmierung könnten entfallen, wenn die Fettschmierung auch bei diesen höheren Geschwindigkeiten einsetzbar wäre.

Zusammenarbeit mit Universitäten
Beim Tribologie-Weltkongress wurde deutlich, dass sich die Zusammenarbeit von SKF und universitären Einrichtungen sehr vorteilhaft auf die Fortschritte auf dem Gebiet der Tribologie auswirkt. Das Imperial College London und die INSA de Lyon sind langjährige Forschungspartner von SKF, und die drei Beiträge (3), (4) und (5) zeigen die Früchte dieser Zusammenarbeit.

Die Veröffentlichung Smearing damage in rolling element bearings (3) behandelt das Thema Anschmierungen, eine Schadensart, die sich bei Wälzlagern zeigen kann, wenn die Geschwindigkeit der Wälzkörper aufgrund der Lagerbetriebsbedingungen von ihrer theoretischen Geschwindigkeit abweicht. Der Beginn von Anschmierungen lässt sich sehr schwer vorhersagen, da die genauen Mechanismen noch nicht umfassend bekannt sind. Daher liefert diese Untersuchung weitere Erkenntnisse hinsichtlich der entsprechenden grundlegenden Mechanismen, wobei sie die Ergebnisse eines einzigartigen Versuchsstands, der unter kontrollierten Bedingungen Anschmierungen reproduzieren kann, mit den numerischen Ergebnissen eines transienten dynamischen Modells des gleichen Kontakts kombiniert. Ein transientes dynamisches Modell des gesamten Prüfstands wurde mithilfe von BEAST (siehe Seite 21) erstellt. Die Autoren meinen, dass die Kombination der experimentellen Daten und der zugehörigen numerischen Vorhersagen nicht nur eine genaue Analyse der Bedingungen, die zum Auftreten von Anschmierungen führen, sondern auch eine nachfolgende Feststellung der potenziellen Ursachen der beobachteten Anschmierungen ermöglicht.

Die Wissenschaftler erläutern in der Veröffentlichung Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface (4) die Entwicklung eines multiskaligen Ansatzes, um Phänomene im Nanometerbereich in makroskopische Schmiermodelle integrieren zu können. Insbesondere wird die Grenzschlupfbedingung, die bei sehr dünnen Schmierfilmen auftritt, mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen charakterisiert. Ihre Veränderung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und dem Oberflächenmaterial kann anhand von semianalytischen Gesetzen beschrieben werden. Diese sind in eine modifizierte Reynolds-Gleichung, die Oberflächengleiteffekte berücksichtigt, integriert. Das Nano-EHD-Modell zeigt, dass die Schmierfilmdicke in der Mitte erheblich abnimmt, um eine Beschleunigung des Schmierstoffflusses aufgrund des im Molekularbereich aufgetretenen Schlupfs an der Wand auszugleichen.

Die Publikation Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant (5) behandelt ein Thema mit Auswirkungen auf die Industrie. Die Wälzkontaktermüdung betrifft die Lebensdauer einer Reihe von Komponenten ausgehend von Zahnrädern über Wälzlager und Walzen in der Stahlherstellung bis hin zu Eisenbahnrädern und Gleisen. Sie zeigt sich in geschmierten und nicht geschmierten Kontakten, wo ein Fluid eventuell nur zeitweise vorhanden ist.

Es wird vermutet, dass sich Wälzkontaktermüdungsrisse aufgrund eines durch zyklische Beanspruchung infolge wiederholter Gleit-Roll-Kontaktbelastung hervorgerufenen Ermüdungsmechanismus fortpflanzen. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich des genauen Mechanismus, der durch die wiederholte Kontaktbelastung hervorgerufen wird, die für die Fortpflanzung der Wälzkon­taktermüdungsrisse sorgt.

Die Autoren stellen eine Studie mit einem eindimensionalen Modell vor, das die Oberflächenverformung, den Schmierstofffluss im Oberflächenfilm und im Riss sowie die Rissfortpflanzung aufgrund des unter der Oberfläche liegenden Spannungsfelds koppelt. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Verkoppeln des Fluidfilms an der Oberfläche mit dem Fluidfilm im Riss wichtig ist, wenn das reale physikalische Verhalten eines Wälzkontaktermüdungsrisses erfasst werden soll. Daher muss jedes Modell, das zur Analyse von Wälzkontaktermüdungsrissen in EHD-Kontakten verwendet wird, dieses Verhalten genau berücksichtigen, sonst ergeben sich große Diskrepanzen bei der Vorhersage der unter der Oberfläche an der Rissspitze entstehenden Ermüdung. Bei Berücksichtigung der Rissfortpflanzung stellen sich diese Fehler sogar als noch gravierender dar, wobei es wichtig ist, die Wirkung des Schmierstoffdrucks in Betracht zu ziehen, wenn versucht wird, die richtige Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Rissen unter Wälzkontaktermüdungsbedingungen zu prognostizieren. Diese Veröffentlichung stellt einen der ersten Versuche dar, ein voll gekoppeltes Fluid-Solid-Modell einschließlich des abhängigen Risswachstums zu erstellen.

Die Wissenschaft im Fokus
Bei der dritten Art von Forschungsarbeiten, die von SKF und ihren Forschungspartnern vorgestellt wurde, geht es um rein wissenschaftliche Vorhaben, die das Wissen auf dem Gebiet der Tribologie voranbringen sollen. Die Publikation Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction? (6) betrachtet die dynamische Simulation von Wälzlagern. Mit diesem leistungsfähigen Tool kann eine Vielzahl von Phänomenen untersucht werden, die mit der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Wälzlagern zusammenhängen. Allerdings verbietet die Art der dynamischen Simulationen, bei denen eine große Zahl von Zeitschritten berechnet werden muss, den Einsatz von sehr detaillierten physikalischen Modellen. Beispielsweise können detaillierte Modelle von Kontaktbedingungen wertvolle Einblicke in kritische Situationen liefern, die in Verbindung mit der Lagerlebensdauer stehen. Diese Forschungsarbeit stellt eine benutzerfreundliche Möglichkeit zur Kombination von dynamischen Simulationen mit sehr detaillierten Kontaktsimulationen dar.

Die Veröffentlichung Prediction of micropitting performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts (7) behandelt die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Reibung, Verschleiß und Graufleckigkeit (Oberflächenzerrüttung). Die Autoren wollten ein vor Kurzem bereits entwickeltes Modell für die Graufleckigkeit erweitern, das die Betriebsbedingungen, Oberflächenrauheit und Werkstoffeigenschaften der Kontaktflächen berücksichtigt und gezeigt hat, dass Verschleiß und Graufleckigkeit zwei konkurrierende Phänomene auf Oberflächen unter Grenzschmierbedingungen sind. Ziel der Forschungsarbeit war es, den Grad des Schadens durch die Graufleckigkeit nach einer bestimmten Zahl von Zyklen bei unterschiedlichen Öl-/Additiv-Lösungen und unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit der Umgebung vorhersagen zu können. Es wird davon ausgegangen, dass sich die möglichen tribochemischen Effekte von Additiven und/oder Wasser im Öl mechanisch zeigen, und sie wurden modelliert, indem die gemessenen Verschleiß- und Grenzreibungskoeffizienten als Eingabedaten für das Modell dienten. Es wurde eine Reihe von Graufleckigkeitstests mit verschiedenen Öl-/Additiv-Lösungen und unterschiedlichen Werten der relativen Luftfeuchtigkeit durchgeführt, und dabei hat das Modell eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen gezeigt.

Schlussbetrachtung
SKF investierte im Jahr 2012 180 Millionen Euro in die Forschung und Entwicklung. Dies entspricht 2,5 Prozent des Jahresumsatzes. Die Entwicklungsaktivitäten führten 2012 zur Einreichung von 660 Erfindungsmeldungen und 421 neuen Patenten. Zu den wichtigen Innovationen, die aus dem Wissen von SKF auf dem Gebiet der Tribologie entstanden sind, zählen SKF energieeffiziente Lager, NoWear-Beschichtungen, Hybridlager, Messing- und Polymerkäfige, Superfinish-Lager für Spezialanwendungen, Oberflächentexturierungen, Spezifikationen für Schmierfette und andere Schmierstoffe sowie Dichtungen mit niedrigen Reibungswerten.

Die Zusammenarbeit von SKF mit namhaften Universitäten, hat dazu geführt, dass beim Imperial College London eines der SKF Hochschulzentren (SKF UTC) eingerichtet wurde, das im Januar 2010 mit einem Schwerpunkt auf der Modellierung und Simulation von tribologischen Systemen eröffnet wurde. Professor Hugh Spikes (siehe Evolution #2-2013, Seite 18) leitet das UTC-Forschungsteam am Imperial College, das sich aus drei Doktoranden und zwei Postdoktoranden zusammensetzt. Das Hochschulzentrum am Imperial College besiegelt auch die bestehende langjährige Zusammenarbeit mit SKF über mehr als 30 Jahre. Seither ist der ehemalige technische Leiter von SKF, Stathis Ioannides, als Gastprofessor am Imperial College tätig.

SKF und die INSA de Lyon haben ihre Zusammenarbeit durch die Einrichtung des SKF Lehrstuhls „Lubricated interfaces for the future” bei der INSA de Lyon weiter ausgebaut. Ziel dieses für die Dauer von sechs Jahren errichteten Lehrstuhls ist die Durchführung einer vorgelagerten, bereichsübergreifenden Studie, um das Verhalten von Schmierstoffen unter den von geschmierten Berührungsflächen auferlegten extremen Bedingungen festzustellen, zu verstehen und zu modellieren.

Tribologisches Wissen steckt auch in vielen SKF Prognosetools und Softwareprodukten. Hier sind insbesondere das SKF Reibungsmodell für Wälzlager, das SKF Lagerlebensdauermodell (vor allem die Schmierungs- und Verunreinigungsbeiwerte), das SKF Fettgebrauchsdauermodell und das SKF Oberflächenzerrüttungsmodell zu nennen. Dies sind allesamt wichtige Werkzeuge zur Entwicklung von Innovationen und zur Vorhersage der Lagerleistung unter Bedingungen, bei denen die Oberfläche eine wichtige Rolle spielt.

Literatur
[1] F. Mandrile, G. Moschetto, S. Vasconi and F. Caprioli, Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor.
[2] F.Greco, J. Wangand, A. van den Kommer, Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed.
[3] M.T. Fowell, A. Kadiric, G. Morales-Espejel, L-E. Stacke and S. Ioannides, Smearing damage in rolling element bearings.
[4] D. Savio, N. Fillot, P. Vergne, R. Pasaribuand, G. Morales-Espejel, Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface.
[5] R. Balcombe, M.T. Fowell, A. Kadiric, D. Dini, A.V. Olver, Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant.
[6] L-E. Stacke, D. Fritzson, G. Morales-Espejel, Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction?
[7] V. Brizmer, H.R.Pasaribu, G. Morales-Espejel, Prediction of micropitting ­performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts.
Weitere Beiträge von SKF und ihren universitären Partnern beim Tribologie-Weltkongress:

  • A. Hajishafiee, D. Dini, A. Kadiric, S. Ioannides, A fully-coupled finite volume solver for elasto-hydrodynamic lubrication problems with particular application to rolling element bearings.
  • J. Guégan, A. Kadiric, T. Reddyhoff, G. Morales-Espejel, H. Spikes, Friction and lubrication of textured surfaces in elasto-hydrodynamic contacts.
  • J. T. Nyqvist, A. Kadiric, R. S. Sayles and E. Ioannides, Three-dimensional analysis of multi-layered rough surface contacts.
  • V. Brizmer, A. Rychahivskyy, B. Han, Study on anti-micropitting performance of black oxide coating.
    J. Wang, CFD analysis of drag loss in high-speed bearings.
  • A. W. Awan, M. Hadfield, B. Thomas, C. Vieillard, R. Cundill, An experimental investigation of rolling contact failure within silicon nitride subject to micro surface defects.
  • P. Tesini and T. Adane, Computing structural fatigue damage in rolling bearing cages.
  • D. Fritzson, L-E. Stacke, Advances in Transient Rolling Bearing Simulation – BEAST

Und anlässlich der Tribo-Lyon 2013:

  • G.E. Morales-Espejel, Surface roughness effects in elasto-hydrodynamic lubrication – A review with contributions.

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