Schirra, Tobias (2021)
Phänomenologische Betrachtung der sensorisch nutzbaren Effekte am Wälzlager – Einfluss unbelasteter Wälzkörper auf die elektrische Impedanz.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017957
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung des Modells der elektrischen Impedanz von Wälzlagern, um über die Messung der Impedanz eine Aussage über die Lagerkräfte zu treffen und somit über die Messgröße der Impedanz Wälzlager als Kraftsensor zu nutzen. Hierzu werden in dieser Arbeit radial belastete Rillenkugellager unter elastohydrodynamischen Schmierungsbedingungen betrachtet. Der Stand der Forschung beschreibt Wälzkontakte als Plattenkondensatoren, deren Kapazität von der Schmierfilmdicke als Plattenabstand und der Hertz’schen Fläche als Plattenfläche abhängt. Zusätzlich wird der Einfluss des nicht verformten Bereichs um die Hertz’sche Fläche mit einem Faktor beschrieben, der abhängig ist von der Schmierfilmdicke und der Radiallast. Dieser nicht verformte Bereich wird in der Forschung am einzelnen Kon-takt durch eine Berechnung des elektrischen Feldes beschrieben und führt den Faktor auf phänomenologische Effekte zurück. Aus der Literatur lässt sich der Widerspruch ableiten, dass Wälzkörper ohne Hertz’sche Fläche keine Kapazität aufweisen, gleichzeitig aber nicht verformte Flächen außerhalb der Hertz’schen Fläche im belasteten Kontakt mit Hertz’scher Fläche berücksichtigt werden. Zusätzlich ist die Kapazität von unbelasteten Wälzkörpern bereits messtechnisch nachgewiesen. Aus diesem Grund wird das Impedanzmodell von Wälzlagern in dieser Arbeit um den Einfluss der unbelasteten Wälzkörper erweitert und die Berechnung des elektrischen Feldes aus der Forschung am Einzelkontakt wird in das Wälzlagermodell übernommen. Die berechnete Wälzlagerimpedanz des erweiterten Modells wird mit eigenen Versuchsdaten verglichen und die Verbesserungen gegenüber dem Stand der Forschung aufgezeigt. Zusätzlich wird zu dem Impedanzwert auch das Frequenzspektrum der Messung betrachtet und ein Modell zur Beschreibung der auftretenden Frequenzen entwickelt. Dieses Modell beruht darauf, dass die signifikanten Frequenzen im Wesentlichen von Unwuchtkräften abhängen und der Anzahl der Wälzkörper in der Lastzone. Zeigt der Radiallastvektor auf einen Wälzkörper oder genau zwischen zwei Wälzkörper, werden zwei unterschiedliche elektrische Impedanzen messbar. Die regelmäßige Änderung der Impedanz zwischen diesen Zu-ständen führt zu einer signifikanten Frequenz. Nach der Validierung des entwickelten Modells werden die Amplituden dieser Frequenzen darüber hinaus genutzt, um die Er-weiterung des Impedanzmodells mit dem Stand der Forschung zu vergleichen. Es zeigt sich, dass die Modellerweiterung die gemessene Wälzlagerimpedanz mit einem deutlich geringeren, nahezu konstanten Differenzbetrag beschreibt. Abschließend werden Ansätze aufgezeigt, mit denen das Impedanzmodell weiter optimiert wird, wie die durchgeführten Modellerweiterungen verallgemeinert und auf diverse Wälzlagertypen übertragen werden.

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