Numerische Auslegung von Wälzlagern

264 Pages·2017·12.941 MB·German

by  Hung Nguyen-Schäfer (auth.)

Numerische Auslegung von Wälzlagern
Hung Nguyen-Schäfer
Numerische Auslegung
von Wälzlagern
HungNguyen-Schäfer
Asperg
Deutschland
ISBN978-3-662-54988-9 ISBN978-3-662-54989-6 (eBook)
DOI10.1007/978-3-662-54989-6
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HungNguyen-Schäfer:ComputationalDesignofRollingBearings.
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In Erinnerung an H. Hertz, F. Fischer und R. Stribeck, welche
die bekanntesten Wälzlagerpioniere gewesen waren. A. Palm-
gren, W. Weibull und G. Lundberg hielten die Wälzlager bis
heutefürunsamLeben
Vorwort
Wälzlager spielen in unserer täglichen Arbeits- und Mobilitätswelt eine wichtige Rolle.
Über 50 Milliarden Wälzlager werden weltweit in Computer- und Halbleiterindustrien,
Elektronikindustrie, chemischen und pharmazeutischen Industrien, Windturbinen, Flug-
zeugindustrie, Automobilindustrie und Haushaltsgeräten verwendet. Ohne sie kämen
unseretäglichenAktivitätenundunsereMobilitätsweltsofortzumErliegen.
Auf den ersten Blick sehen Wälzlager nach ziemlich einfachen Bauteilen aus. Sie
bestehen lediglich aus einigen Wälzelementen (d. h. Kugeln oder Zylinder), die von
Fetten oder Ölen geschmiert sind und zwischen dem inneren und äußeren Lagerring
des Wälzlagers rotieren. Warum also wird seit Jahrzehnten bis heute noch weltweit an
Wälzlagerngeforschtundentwickelt? InRealitätumfasstdieWälzlagerentwicklungvie-
le schwierige, interdisziplinäre Arbeitsfelder, nämlich Elastohydrodynamik (EHD) für
die Ölfilmdicke, Kontaktspannungen in der Hertzschen Kontaktzone, Tribologie der
Oberflächentexturen, Wälzlagerdynamik, Verschleiß- und Versagensmechanismen, Er-
müdungslebensdauer der Wälzelemente, Laufbahnen und Schmierfette basierend auf der
Weibull-Verteilung, Rotorauswuchten sowie induzierte Luft- und Körperschallanalysen
(NVH).
In diesem Buch wird die numerische Auslegung von Wälzlagern basierend auf den
obengenanntenArbeitsfelderninneunKapitelnbehandelt. DemLeserwerdendabeidie
WechselwirkungenzwischendenArbeitsfelderninderEntwicklungvonWälzlagernver-
deutlicht. Die Lagerauslegung basiert teilweise auf DIN-ISO-Normen, aus denen einige
semiempirischeFormelnfürdienumerischenBerechnungenmitderkommerziellenCode
MATLABentnommenwurden.
An dieser Stelle möchte ich mich bei den Geschäftsführern der Firma EM-motive
GmbH, Herrn Volker Hansen und Herrn Dr. Axel Humpert bedanken, die mir die Er-
laubniszurVerwendungeinigerBilderfürdiesesBuchgegebenhaben.Außerdemdanke
ichmeinenKollegenDr.ZhenhuanWuundAndreasPoyvonderRobertBoschGmbHin
StuttgartfürdieentsprechendfruchtbarenDiskussionenüberWälzlagerundNVH.
Ich möchte es nicht versäumen, mich bei Frau Eva Hestermann-Beyerle und Frau
Birgit Kollmar-Thoni vom Springer-Verlag, Heidelberg, für die wertvolle und hilfreiche
VII
VIII Vorwort
Unterstützung bei der Veröffentlichung dieses Buchs in der deutschen Auflage zu
bedanken.
AbschließendmöchteichmichbeimeinerFraufürihreHilfeundendloseUnterstüt-
zung bedanken, als ich das Buch über mehrere Wochenenden und in den Urlaubstagen
schrieb.
BittesendenSiefachlicheHinweise,AnmerkungenoderVerbesserungsvorschlägean
folgendeE-Mail-Adresse:[email protected]
Asperg HungNguyen-Schäfer
Danksagung
Im Besonderen bedanke ich mich bei meinem Kollegen Dr. Marc Brück von der EM-
motive GmbH für das Durchlesen und die wertvollen Hinweise bei der Erstellung der
deutschenAuflage.
HungNguyen-Schäfer
IX
Über den Autor
Dr. HungNguyen-SchäferarbeitetalsFachreferentinderEntwick-
lung elektrischer Traktionsmaschinen für Hybrid- und vollelektri-
sche Kraftfahrzeuge bei der EM-motive GmbH in Deutschland,
einem Gemeinschaftsunternehmen der Firmen Daimler und Bosch.
Er promovierte 1988 in der Fachrichtung Maschinenbau an der
Universität Karlsruhe und arbeitet seit 30 Jahren in der Automobil-
industrie bei Bosch, Bosch Mahle Turbo Systems und EM-motive.
Seine Arbeitsgebiete sind Verbrennungsmotoren, Abgasturbo-
lader, Brennstoffzellen-Technologien und E-Mobilität für Hybrid- und vollelektrische
Kraftfahrzeuge.
EristAutorvonvierenglischenFachbüchern:
(cid:129) AeroandVibroacousticsofAutomotiveTurbochargers.SpringerBerlin(2013).
(cid:129) RotordynamicsofAutomotiveTurbochargers.2.Edition.SpringerSwitzerland(2015).
(cid:129) ComputationalDesignofRollingBearings.SpringerSwitzerland(2016).
(cid:129) TensorAnalysisandElementaryDifferentialGeometryforPhysicistsandEngineers.2.
Edition.SpringerBerlin(2017).
XI
Inhaltsverzeichnis
1 GrundlagenvonWälzlagern................................................................. 1
1.1 TypenvonWälzlagern.................................................................... 1
1.2 AnwendungenvonWälzlagern......................................................... 2
1.3 Wälzlagerkomponenten................................................................... 3
1.4 Wälzlagerkrümmungen................................................................... 11
1.5 Wälzlagerdrehzahlen...................................................................... 17
Literatur............................................................................................. 18
2 AuslegungvonWälzlagern................................................................... 19
2.1 AuslegungsregelnfürWälzlager........................................................ 19
2.2 BerechnungenderLastenaufdieWälzlager ........................................ 21
2.2.1 Zwei-Lager-SystemfürstarreRotoren ..................................... 22
2.2.2 Drei-Lager-SystemfürflexibleRotoren ................................... 23
2.3 StatischeTragzahl.......................................................................... 25
2.4 DynamischeTragzahl..................................................................... 28
2.5 ÄquivalenteDynamischeLastaufdieWälzlager .................................. 30
2.6 LastenaufdieWälzelementeuntereineräquivalentenLast..................... 32
2.7 BetriebskontaktwinkeluntereinerAxiallast......................................... 38
2.8 LastenaufdieWälzelementeuntereinerkombiniertenLast.................... 42
Literatur............................................................................................. 48
3 KontaktspannungeninWälzlagern........................................................ 49
3.1 HertzschePressungeninderKontaktzone........................................... 49
3.2 NumerischeRechenverfahrenzurBestimmungderHertzschenPressung... 50
3.3 FallstudiezurHertzschenPressung.................................................... 56
3.4 ScherspannungeninderUnterflächederHertzschenKontaktzone............ 58
3.5 EinflussparameterderHertzschenPressung......................................... 62
Literatur............................................................................................. 64
4 SchmierfilmdickeninWälzlagern.......................................................... 65
4.1 Einführung................................................................................... 65
4.2 HydrodynamischeundelastohydrodynamischeSchmierungen................. 65
XIII