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Prognosen von Simulationsmodellen

Dämpfungsmodelle für hochdrehende Spindellager

| Autor/ Redakteur: Christian Brecher, Marcel Fey, Tobias Motschke / Andrea Gillhuber

Besteht kein physikalischer Prototyp, sind Entwickler mechanischer Systeme auf die Prognosen von Simulationsmodellen angewiesen. Die Komplexität von Kopplungselementen ist jedoch nur bedingt vollständig simulativ abbildbar. Neue Methoden sind gefordert.

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Besteht kein physikalischer Prototyp, sind Entwickler mechanischer Systeme auf die Prognosen von Simulationsmodellen angewiesen. Die Komplexität von Kopplungselementen ist jedoch nur bedingt vollständig simulativ abbildbar. Neue Methoden sind gefordert.
Besteht kein physikalischer Prototyp, sind Entwickler mechanischer Systeme auf die Prognosen von Simulationsmodellen angewiesen. Die Komplexität von Kopplungselementen ist jedoch nur bedingt vollständig simulativ abbildbar. Neue Methoden sind gefordert.
(Bild: RWTH Aachen)

Moderne Simulationstechniken, wie die Finite-Elemente-Methode, ermöglichen Entwicklern mechanischer Systeme eine immer genauer werdende Prognose für das dynamische Verhalten des zu entwerfenden Systems. Dies geschieht bereits in einer Entwicklungsphase, in der noch kein physikalischer Prototyp besteht. Da noch keine experimentellen Daten erhoben werden können, ist der Entwickler auf die Prognosefähigkeit seines Simulationsmodells angewiesen. Je genauer diese Prognose ausfällt, desto vielfältiger kann das Simulationsmodell eingesetzt werden. Eine Abbildung von einzelnen Bauteilen mittels FEM erreicht dieser Tage bereits eine beachtliche Genauigkeit. Die besondere Herausforderung in der Abbildung gesamtheitlicher mechanischer Systeme liegt in der Modellierung der im Kraftfluss befindlichen Kopplungselemente, zum Beispiel Linearführungen, Kugelgewindetrieben und Wälzlagern. Die physikalischen Gegebenheiten, wie sie in diesen Maschinenelementen vorkommen, sind jedoch meist sehr komplex und können selbst mit modernsten Simulationsmethoden nur bedingt vollständig abgebildet werden. Demgegenüber besteht die Möglichkeit einzelne Maschinenelemente experimentell zu vermessen und aus den Messungen Modelle abzuleiten. Diese können die komplexen Rechenmethoden ersetzen und eine möglichst hochwertige Abbildung der physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Gesamtsystems gewährleisten.

Bild 1: Industriell eingesetztes Hauptspindelsystem.
Bild 1: Industriell eingesetztes Hauptspindelsystem.
(Bild: RWTH Aachen)

Mithilfe experimenteller Daten und theoretischer Modelle sollen am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Dämpfungsmodelle für hochdrehende Spindellager entwickelt werden. Konstrukteuren soll somit eine Möglichkeit gegeben werden, die durch die Dämpfung maßgeblich beeinflussten dynamischen Amplituden von Spindelsystemen (Bild 1) vorab besser abschätzen zu können.

Methoden zur Bestimmung von Dämpfungsparametern

Im Rahmen der DFG-Forschergruppe 1087 wurden Methoden zur Bestimmung von Dämpfungsparametern in Werkzeugmaschinen entwickelt [1; 3; 4; 5]. Diese Methoden schließen sowohl Mess- und Simulationsmethoden als auch Konstruktionsmethoden zur Entwicklung von Prüfständen zur Dämpfungsbestimmung ein. Der Fokus der Forschergruppe lag auf der Entwicklung und Verbesserung von Methoden. Daher wurden bisher nur wenige vollständige Dämpfungsmodelle aus den Versuchen abgeleitet. Das im Folgenden beschriebene Projekt soll die entwickelten Methoden nutzen, um aus einer Kombination von Berechnung und Experiment ein Dämpfungsmodell abzuleiten.

Hierbei soll jedoch als Ziel nicht ein empirisches Modell abgeleitet werden, sondern die experimentellen Ergebnisse in Zusammenhang mit berechneten Größen aus validierten Modellen gesetzt werden, um ein allgemein gültiges physikalisches Dämpfungsmodell für Hochdrehzahl-Spindellager abzuleiten. Vor dem Hintergrund tendenziell immer höherer Drehzahlforderungen, wird die Verfügbarkeit solcher Modelle an Bedeutung gewinnen.

In vorangegangenen Untersuchungen wurden bereits Dämpfungswerte für Spindellager im Stillstand bestimmt. Diese bilden den Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen, z.B. können davon ausgehend, die Einflüsse des sich unter Drehzahl aufbauenden Schmierfilms untersucht werden. Das Dämpfungsverhalten des gesamten Prüfstands wurde untersucht, indem anstelle der Lager sogenannte Referenzlager eingesetzt wurden. Bei diesen Referenzlagern handelt es sich prinzipiell um Festkörpergelenke, bestehend aus nur einem Bauteil. Demnach enthalten sie keine als Dämpfungsquelle zu betrachtenden Wälzkontakte. Einzige Dämpfungsquelle bei eingebauten Referenzlagern sind somit die Fugen zwischen Außenring und Lagerbuchse sowie die Materialdämpfung. Diese Herangehensweise erlaubt es die Einflüsse bestimmter Parameter sukzessive zu untersuchen und deren Einflüsse auf die Gesamtdämpfung voneinander isoliert zu betrachten.

Entwicklung eines Dämpfungsprüfstands

Bild 2: Prüfstandsprinzip und Berechnungsmodell mit den relevanten Starrkörper-Eigenfrequenzen (axial und radial).
Bild 2: Prüfstandsprinzip und Berechnungsmodell mit den relevanten Starrkörper-Eigenfrequenzen (axial und radial).
(Bild: RWTH Aachen)

Die geplanten Untersuchungen stellen hohe Ansprüche an die Prüfstandskonstruktion. Es muss gewährleistet sein, dass die größten Dämpfungseinflüsse aus dem Wälzlager selbst kommen und nicht durch andere Dämpfungsquellen, wie Passungen oder Reibungseffekte, überdeckt werden. Hierzu ist es notwendig Relativbewegungen zwischen einzelnen Komponenten des Prüfstands zu vermeiden, sodass das zu untersuchende Wälzlagerpaar als höchste Nachgiebigkeit im Kraftfluss fungiert. Als Haupteinflussparameter auf die Dämpfung wurden in Vorversuchen vor allem die Lagervorspannung sowie die Lagertemperatur festgestellt. Beide Größen sollen in den für das vorgestellte Projekt geplanten Messungen erfasst werden. Die Vorspannung wird hierbei über Metallfolien-DMS auf der Abstandshülse zwischen beiden Lagern (Bild 2, links) erfasst. Eine Messung der Temperatur im Wälzkontakt selbst ist nicht möglich, weshalb als Referenztemperaturen die Lageraußen- und Lagerinnenringtemperatur verwendet werden. Die Lagerinnenringtemperatur wird über ein Telemetriesystem von der Welle auf eine Antenne an den feststehenden Teil des Prüfstands übertragen. Die Lageraußenringtemperatur wird durch Temperatursensoren gemessen. Zur Schmierung wird ein industriell eingesetztes Öl-Luft-Schmieraggregat genutzt. Hierdurch lassen sich Schmierintervall und Schmierstoffmenge präzise einstellen. Untersuchungen zum Einfluss der Schmierstoffmenge und des Schmierstoffes selbst sind somit ebenfalls möglich. Der Einfluss verschiedener Schmierstoffe soll zunächst nicht betrachtet werden. Für das Vorhaben ist die Untersuchung verschiedener Lagertypen, d.h. verschiedene Kugelgrößen, verschiedene Druckwinkel und Hybridlager vorgesehen. Bild 2 zeigt den Prüfstand sowie das zugehörige Berechnungsmodell mit den für die Untersuchungen relevanten Starrkörpereigenmoden.

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