Neues Verfahren verbessert Vorhersage der Lebensdau-er von Wälzlagern

Als Weltneuheit führt NSK eine neue Methode zur genauen Vorhersage der realistischen Lebensdauer von Wälzlagern ein. Die Methode basiert auf der Grundlage von Größe und Menge an nichtmetallischen Einschlüssen in dem Stahl, aus dem die Lager gefertigt sind. Auf dieser Basis werden die Schrägkugellager, Zylinderrollenlager, Rillenkugellager und Kegelrollenlager von NSK in Zukunft eine deutlich höhere nominale Lebensdauer aufweisen. Im besten Fall kann die Lebensdauer aufgrund der Optimierung der dynamischen Tragzahlen sogar verdoppelt werden.

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Die Ermittlung der Tragzahlen ist in der Norm ISO 281:2007 geregelt. Sie besagt, dass bei der Prüfung einer Charge identischer Lager neun von zehn Lager den angegebenen Wert (in Millionen Umdrehungen; L10) oder in Betriebsstunden (L10h) problemlos erreichen müssen. Die Norm erlaubt eine Erhöhung der Lebensdauer unter bestimmten Bedingungen. Aber in der Vergangenheit musste jede Änderung am Lager einer weiteren Testreihe unterzogen werden. NSK hat nun für genau diese Situationen ein zerstörungsfreies Prüfverfahren entwickelt, das es ermöglicht, auf weitere Prüfungen zu verzichten. Der Endanwender der Lager profitiert davon in der Praxis durch eine deutliche Erhöhung der nominalen Lagerlebensdauer.

Die meisten Konstrukteure nutzen den (Print- oder Online-)Katalog eines Wälzlagerherstellers zur Berechnung der Lagerlebensdauer. Alternativ können sie auch die Lagerkennwerte und die äußeren Belastungen in ein Berechnungsprogramm eingeben. Die grundlegende Berechnung wird jedoch nach wie vor nach ISO 281 durchgeführt, die sich weltweit als Standard durchgesetzt hat. Allerdings wurde deren Methodik bereits 1962 eingeführt. Seitdem haben sich sowohl die Materialreinheit als auch die Fertigungsmöglichkeiten erheblich weiterentwickelt. Das Ergebnis ist, dass die tatsächliche Lebensdauer eines Lagers in der Regel sehr viel höher ist als die nach ISO 281 ermittelte Lebensdauer.

Der Ansatz von NSK bestand darin, neben empirischen Tests auch computergestützte Modelle der Lager zu verwenden. Diese Modelle werden als „digitale Zwillinge“ genutzt mit dem Ziel, noch stärker auf Lebensdauerprüfungen mit realen Wälzlagern zu verzichten und Anhebungen der dynamischen Tragzahlen auf Berechnungen zu stützen.

Eine Basis für diese Berechnungen sind die Erkenntnisse aus umfassenden Untersuchungen von NSK. Sie haben gezeigt, dass die Zusammensetzung und Qualität des Lagerstahls – insbesondere der Anteil der nichtmetallischen Verunreinigungen im Stahl – großen Einfluss auf die Lebensdauer eines Lagers hat. Mehr noch: Sie sind tatsächlich ein entscheidender Indikator für die Lebensdauer.

Auf der Basis dieser Erkenntnisse stellten die NSK-Ingenieure fest: Eine Bewertungsmethode, die auf der Bruchmechanik – einem Teilgebiet der Mechanik, das sich mit der Untersuchung der Ausbreitung von Rissen in Werkstoffen basiert – befasst, erlaubt aussagekräftigere Ergebnisse.

Um eine quantitative Bewertungsmethode zu entwickeln, mit der festgestellt werden kann, welche Faktoren in welchem Ausmaß die Rissausbreitung in einem Material beeinflussen, arbeitete NSK mit der Universität Kyushu/ Japan zusammen. Das Ergebnis: Insbesondere durch die Kombination der neuen Methode mit einem Ultraschallprüfverfahren, das die nichtmetallischen Einschlüsse in einem großen Stahlvolumen detektiert, kann die Reinheit der Stähle von Wälzlagern mit viel höherer Genauigkeit und in einer deutlich größeren Prüf-menge bestimmt werden.

Als direkte Folge dieser Untersuchungen konnte NSK die dynamische Tragzahl vieler Wälzlager erhöhen – bei unveränderter Konstruktion, identischen Werkstoffen und unter Beibehaltung der entsprechenden Sicherheitsmarge. Durch diese Überarbeitung wird die nominale Lebensdauer von Rillenkugellagern bis zu doppelt so hoch wie zuvor.

Da sich die dynamischen Tragzahlen der Lager verbessern, kann das Lager unter Beibe-haltung der Lagergröße für höhere Belastungen verwendet werden. Oder der Anwender entscheidet sich für ein kleineres Lager, das die gleiche Funktion erfüllt wie das zuvor eingesetzte größere Wälzlager. Zu den offensichtlichen Vorteilen dieser Optimierung gehören kompaktere Abmessungen der Maschine bzw. des Antriebsstrangs und die Gewichtsreduzierung.

Die Endverbraucher können sich darauf verlassen, dass die neuen Lagerlebensdauerwerte gewissenhaft ermittelt wurden – auf der Grundlage einer sorgfältig erarbeiteten Methodik und einer umfangreichen empirischen Datenbank. Alle neuen - und grundsätzlich höheren - Werte liegen innerhalb des sicheren Bereichs. Die Forscher und Entwickler von NSK haben eine quantitative Bewertungsmethode verwendet, um zu ermitteln, in welchem exakten Maße die Anzahl und Größe von Verunreinigungen den Prozess der Rissausbreitung in einem Wälzlagerstahl beeinflusst. Für die Durchführung und Auswertung der entsprechenden Simulationen mit den „digitalen Zwillingen“ wurden Computer mit extrem hoher Rechenleistung eingesetzt.

Künftig werden die Lebensdauerwerte von Schrägkugellagern, Zylinderrollenlagern,
Rillenkugellagern (Bild) und Kegelrollenlagen aus dem NSK-Programm deutlich erhöht.

 

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