FE-Simulation von Wälzlagern in Baugruppen

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Kriterien bei der Auswahl und Auslegung von Wälzlagern

Als eine der weltweit am meisten eingesetzten Komponenten galten die Wälzlager lange Zeit als recht einfach auszuwählen. Typischerweise würde man als Ingenieur nur die wirkenden Axial- und Radialkräfte angeben und schon liefern die schlauen Produktkonfiguratoren das passende Wälzlager dazu.

  • Laufgenauigkeit,
  • Laufruhe,
  • Steifigkeit,
  • Lebensdauer und
  • Wärmeentwicklung

jedoch, gestaltet sich die präzise Auswahl des richtigen Wälzlagers immer schwieriger.

Vor Allem der Einfluss der umliegenden Bauteile und Baugruppen kann in vielen Fällen bedeutend sein. Und dieser kann vom Wälzlagerlieferanten nur teilweise bei der Lagerauswahl berücksichtigt werden.

Dadurch ist der eigentliche Betriebspunkt (Kombination aller Lasten) der Lager in der Baugruppe nicht einfach durch Erfahrung schätzbar.


Simulation von Wälzlagern

Die Simulation hat das Potential die Entwicklung von technischen Produkten in allen Branchen und Bereichen zu revolutionieren. Vor Allem die Finite-Elemente-Analyse (FEA) bietet hier durch ihre Allgemeingültigkeit viele Möglichkeiten.

Die Finite-Elemente-Simulation von Wälzlager hat jedoch bis heute bei den Industriefirmen noch einiges zu wünschen übriggelassen. Der Grund dafür ist, dass die klassischen Modelle:

  • entweder zu stark vereinfacht (und daher wenig aussagekräftig)
  • oder zu detailliert (und somit mit enormen Rechenaufwand verbunden) modelliert werden konnten.

Eines der Ziele bei Meshparts war daher die Entwicklung von effizienten (präzise und schnell rechnenden) Wälzlagermodellen, die nahtlos in gesamten FE-Baugruppen funktionieren können.

Nach vielen Jahren Arbeit auf diesem Gebiet, haben wir eine Modellierungsart entwickelt und verfeinert, die die Vorteile beider bisherigen Modellarten vereint.

High-Detail-Modelle von Wälzlagern

Die High-Detail-Wälzlagermodelle von Meshparts sind FE-Hybridmodelle: Die Lagerringe sind elastische Volumenkörper, während die Kugel- und Rollenmodelle mit Hilfe von nichtlinearen Ersatzfedern modelliert sind. Dadurch haben die Lagermodelle praktisch keinen Einfluss auf die Modellgröße. Die Simulationszeiten sind trotz hochdetaillierten Lagermodelle vergleichbar zur den klassischen, stark vereinfachten Lagermodellen.

Die nichtlineare Federkennlinie der Kugelmodelle wird nach der Hertzschen Theorie ermittelt. Bei den Zylinder- und Kegelrollen kommen mehrere Federmodelle zum Einsatz, da diese Wälzkörper gedanklich in mehrere Scheiben aufgeteilt werden. Jede Scheibe wird durch eine eigene nichtlineare Federsteifigkeit modelliert. Durch ausreichend viele einzelnen Federelementen (Zylinderscheiben) kann nicht nur der variierende Durchmesser von Kegelrollen sondern auch die Balligkeit der Rollkörper berücksichtigt werden.

Aus dem Obigen leitet sich ab, dass unsere High-Detail-Wälzlagermodelle keine Angaben der Lagersteifigkeit benötigen. Stattdessen werden die Modelle durch Angabe von geometrischen Abmessungen konfiguriert. Beispielweise werden Kugel- oder Rollendurchmesser, Anzahl der Rollkörper und Schmiegung benötigt. Die Schmiegung kann in der Regel mit 0.52 geschätzt werden. Die üblichen Lagertypen (Rillenkugellager, Schrägkugellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager usw.) können schnell mit Hilfe unserer Simulations-Apps parametriert werden. Anschließend werden die Lagerkonfigurationen einfach per Copy/Paste in unsere FE-Software einfügt. Per Knopfdruck entstehen dann die High-Detail-Modelle für die FE-Analyse.

Realistisches Verhalten der Simulationsmodelle

Die High-Detail-Wälzlager von Meshparts verhalten sich in der FE-Simulation realitätsgetreu:

  • Mit steigender Last wachsen die Kontaktwinkeln der Kugeln. Die betriebspunkt-abhängige Lagersteifigkeit wird somit erst während der Simulation ermittelt.
  • Sowohl für Kugeln als auch für Zylinder- und Kegelrollen kann Spiel parametrisch definiert werden.
  • Einbaubedingungen wie Presspassung und Lagervorspannung werden implizit berücksichtigt, weil die Lager Teil von größeren FE-Baugruppen sind.
  • Thermische Lasten, die zu Ausdehnungen der Lagerringe, Lagergehäuse und Wellen führen, wirken sich automatisch auf die berechnete Lagerbelastung und auf den Lagerbetriebspunkt.

Software für die Simulation von Wälzlagern

Unsere Software im Zusammenhang mit der Modellbibliothek für Wälzlagern wird lokal installiert. Sie haben die Möglichkeit beliebig viele Designvarianten von Wälzlagern zu berechnen. Die Software ist als Jahres- oder Monatsabo zu haben. Wir leisten auf Wahl Standardsupport (max. 8 Stunden pro Jahr) oder intensive Wartung- und Support (8 Stunden pro Monat). Dazu empfehlen wir noch eine eintägige Schulung.


Individuelle Beratung

Unsere Wälzlager-Spezialisten beantworten gerne alle Ihre Fragen und zeigen Ihnen, welche Lösung für Sie am besten passt.