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False-Brinelling-Schäden oder Stillstandsmarkierungen sind ein bekanntes Problem bei Wälzlagern, die nur bei kleinen Schwenkwinkeln betrieben werden oder die Vibrationen oder schwellenden Normalkräften ausgesetzt sind. In diesen Fällen ist eine Berechnung der Lebensdauer nicht möglich. Die Auslegung muss also auf Basis von Erfahrungswerten erfolgen, die in aller Regel nicht vorliegen. Solche kritischen Betriebsbedingungen findet man beispielsweise bei den Pitch-Lagerungen von Windkraftanlagen, im Umfeld von Hydraulikaggregaten oder bei stark vibrationsbelasteten Anlagen z.B. bei Baumaschinen.…mehr
False-Brinelling-Schäden oder Stillstandsmarkierungen sind ein bekanntes Problem bei Wälzlagern, die nur bei kleinen Schwenkwinkeln betrieben werden oder die Vibrationen oder schwellenden Normalkräften ausgesetzt sind. In diesen Fällen ist eine Berechnung der Lebensdauer nicht möglich. Die Auslegung muss also auf Basis von Erfahrungswerten erfolgen, die in aller Regel nicht vorliegen. Solche kritischen Betriebsbedingungen findet man beispielsweise bei den Pitch-Lagerungen von Windkraftanlagen, im Umfeld von Hydraulikaggregaten oder bei stark vibrationsbelasteten Anlagen z.B. bei Baumaschinen. Dieses Buch beschäftigt sich mit den kritischen Betriebsbedingungen und den typischen Schadenserscheinungen. Neben der Beschreibung der im Kontakt ablaufenden Vorgänge werden zahlreiche experimentelle Ergebnisse präsentiert, die die Wirkung einzelner Einflussfaktoren des Beanspruchungskollektivs und der Bestandteile des Schmierstoffs aufzeigen. Das Buch hilft, das Wissen auf diesem Gebiet zu vertiefen und für den jeweiligen eigenen Anwendungsfall eine mögliche Lösungsstrategie zu finden.
Der Autor ist nun seit mehr als 20 Jahren in der Tribologie tätig. Am Kompetenzzentrum Tribologie an der Hochschule Mannheim ist er als Laborbetriebsleiter und Leiter industrielle Forschung für ein Team von technischen und wissenschaftlichen Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen sowie mehr als 50 Spezialprüfstände verantwortlich. Mit dem Thema False-Brinelling und Stillstandsmarkierungen beschäftigte sich Dr. Grebe nicht nur in seiner Promotion, sondern auch in zahlreichen bilateralen Industrieforschungsprojekten. Er ist Mitglied in zahlreichen DIN, ASTM und SAE-Arbeitskreisen. Sein fundiertes Fachwissen auf dem Gebiet der tribologischen Prüftechnik gibt er u.a. als Lehrgangsleiter im jährlichen Fachseminar "Tribometrie" an der Technischen Akademie Esslingen weiter.
Inhaltsangabe
1 Einleitung 1.1 Schäden an Wälzlagern durch kleine Schwenkwinkel und Vibration 1.2 Wälzlagerschäden und Ausfallursachen 1.2.1 Hauptausfallarten von Wälzlagern (nach ISO 15243) 1.2.1.1 Werkstoffermüdung 1.2.1.2 Verschlei 1.2.1.3 Korrosion 1.2.1.4 Elektroerosion 1.2.1.5 Plastische Verformung 1.2.1.6 Bruch und Rissbildung 1.3 Praxisbezug 2 Grundlagen und Begriffsdefinitionen 2.1 Entstehung des Begriffs „False-Brinelling 2.2 False-Brinelling oder Stillstandsmarkierung? 2.3 Abgrenzung zu verschiedenen ähnlichen Schadensbildern 2.3.1 Riefenbildung 2.3.2 Eindrücke 2.3.3 Riffel- oder Muldenbildung 2.3.3.1 Riffelbildung infolge elektrolytischer Kontaktkorrosion 2.3.3.2 Riffelbildung infolge Stromdurchgang 2.3.3.3 Riffelbildung, hervorgerufen durch Stillstandserschütterungen 3 Systemanalyse betroffener realer Systeme (Praxisbeispiele) 3.1 Windenergieanlagen und Pitchsysteme (von Matthias Stammler 3.1.1 Individual Pitch Control (IPC) 3.1.2 Rotorblattlager 3.1.3 Belastungen in Blattlagern 3.1.4 Schadensmechanismen 3.1.5 Zusammenfassung und Ausblick 3.2 Stoßdämpfer-Domlager 3.3 Pkw-Radlager (Hub-Units) 4 Überblick über den Stand der Wissenschaft und Technik 4.1 Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet der Stillstandsmarkierungen und des False-Brinellings 4.2 Zusammenhang zwischen Stillstandsmarkierungen und tribochemischer Reaktion 4.2.1 Stand der Wissenschaft zum Thema Schwingreibverschleiß (Passungsrost, engl. „fretting corrosion“) 4.2.2 Theorien zur Rissentstehung und –ausbreitung bei Schwingbelastung 4.2.2.1 Ansätze basierend auf experimentellen Untersuchungen 4.2.2.2 Mathematisch-theoretische Ansätze auf Basis der Kontaktmechanik 4.3 Zusammenfassung des Standes der Wissenschaft 4.3.1 Zusammenfassung des Standes der Wissenschaft bezüglich Schwingreibverschleiß (Fretting) 5 Grundlagen zur Kontaktmechanik 5.1 Kontaktmodelle 5.1.1 Statischer Fall (Hertzsche Beanspruchung) unter reiner Normalkraft 5.1.2 Statischer Fall – Konstante Flächenlast mit konstanter Tangentialkraft 5.1.3 Statischer Fall – Punkt- bzw. Linienkontakt mit konstanter Normalkraft und konstanter Tangentialkraft 5.1.4 Dynamischer Fall – Punkt- bzw. Linienkontakt mit konstanter Normalkraft und sich verändernder Tangentialkraft 5.1.5 Dynamischer Fall - Rollen 5.1.6 Einflussfaktoren auf die entstehenden Spannungen 5.1.6.1 Elastisch-plastisches Verhalten 5.1.6.2 Einlaufeffekte 5.1.6.3 Bewertung der für die Rollreibung verantwortlichen Effekte 5.1.6.4 Schmierung 5.1.6.5 Thermo-elastische Effekte 5.1.6.6 Adhäsion 5.1.6.7 Rauheit 5.1.7 Zusammenfassung der im False-Brinelling-Kontakt wirkenden Spannungen 6 Lebensdauerberechnung, FEM-Berechnung, Computersimulation 7 Beschreibung der Vorgänge im Kontaktbereich bei der Entstehung von Stillstandsmarkierungen 7.1 Übergang von theoretischen Kontaktmodellen zu experimentellen Ergebnissen und zur tribologischen Schädigung 7.2 Anschauliche Darstellung der Wirkung der Spannungen in der Kontaktzone 8 Laborprüftechnik 8.1 Übersicht über die weltweit eingesetzten Laborprüfmethoden im Zusammenhang mit Stillstandsmarkierungen und False-Brinelling 8.1.1 Fafnir Fretting-Test (ASTM D4170) 8.1.2 SNR-FEB2-Test 8.1.3 SKF-Schwingprüfer 8.1.4 HRE-IME-Riffeltest und Pulsationsprüfstände 8.1.5 Sonstige bekannte False-Brinelling-Prüfstände 8.2 Prüftechnik an der Hochschule Mannheim 8.2.1 Versuche unter dynamischer Axiallast auf der servo-hydraulischen Prüfmaschine „Isotron Sinus Hydropuls 8.2.2 Versuche unter dynamischer, rotatorischer Schwingbewegung (False- Brinelling-Prüfstand) 8.2.3 Versuche auf dem Schwing-Reibverschleiß-Prüfstand (SRV®) 8.3 Festlegung von Standardprüfbedingungen 8.4 Festlegung von Referenz- und Musterschmierstoffen 8.5 Festlegung geeigneter Messgrößen 8.6 Statistik 9 Schadensentwicklung – Wirkende Verschleißarten und -mechanismen 9.1 Typische Schadensbilder 9.2 Schadensentwicklung bei kleinen Schwenkwinkeln (Quasi- Stillstandsmarkierungen) 9.3 Schadensentwicklung bei größeren Schwenkwinkeln (False-Brinelling- Bedingungen / SNR-FEB2-Test) 9.4 Lokal unterschiedliche Verschleißerscheinungen 9.4.1 Haftzone 9.4.2 Zone partiellen Gleitens 9.4.3 Mittlere Ellipsenkontur 9.4.4 Wälzbereich bei größeren Schwenkwinkeln 9.4.5 Kreisförmige Kratzer in der Stillstandsmarkierung (Spin der Kugel) 9.5 Wirkende Verschleißmechanismen 9.5.1 Tribochemische Reaktion 9.5.2 Oberflächenzerrüttung 9.5.3 Adhäsion 9.5.4 Wälzverschlei 10 Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Größen des Beanspruchungskollektivs 10.1 Einfluss der Belastungsform: axial-pulsend oder rotatorisch-oszillierend 10.2 Einfluss der Schwingzyklenzahl 10.3 Einfluss der Normalkraft 10.4 Einfluss der Lastfrequenz bei axialer Pulsation 10.5 Einfluss der Schwingfrequenz 10.6 Einfluss der Luftfeuchtigkeit und von Wasser im Schmierstoff 10.7 Einfluss der Temperatur 10.8 Einfluss des Schwenkwinkels 11 Einfluss des Zwischenstoffs (Grundöl, Verdicker, Additive) 11.1 Einfluss der Schmierstoffart (Öl / Fett) 11.2 Einfluss des Grundöls 11.2.1 Poly-Alpha-Olefin (PAO) 11.2.2 Trimethylolpropan Ester (TMP) 11.2.3 Polyglykol (PG) 11.2.4 Polyfluorierter Polyether (PFPE) 11.2.5 Paraffinbasisches Mineralöl 11.2.6 Naphthenbasisches Mineralöl 11.2.7 Silikonöl 11.2.8 Übersicht 11.3 Einfluss des Verdickers 11.4 Einfluss der Konsistenz und Viskosität 11.5 Einfluss von Additiven 11.6 Einfluss von Festschmierstoffen 11.7 Sonstige Erkenntnisse zum Schmierstoffeinfluss 11.7.1 Veröffentlichte Daten aus der Schmierstoffindustrie 11.7.2 Fettmischungen 12 Einfluss des Werkstoffs, der Härte und Oberflächenbehandlung und Nutzen von Beschichtungen 12.1 Einfluss der Laufbahnhärte 12.2 Einfluss des Kugelwerkstoffs 12.2.1 Wirkung von keramischen Wälzkörpern 12.3 Einfluss von Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen 12.3.1 Nitrocarburieren 12.3.2 Brünieren 12.3.3 DLC-Schichten 12.4 Einfluss des Einlaufvorgangs und der Kaltverfestigung 13 Einfluss geometrischer und topografischer Parameter 14 Einfluss konstruktiver Parameter 14.1 Einfluss der Lagerart (Axial-, Radiallager / Kugel-, Rollenlager) 14.2 Einfluss der Vorspannung bzw. des Lagerspiels 14.3 Einfluss der Schmiegung 14.4 Einfluss der Einbaulage 15 Untersuchung der Verschleißpartikel und Oxidationsprodukte 16 Einfluss von Stillstandsmarkierungen auf die Lebensdauer im Normalbetrieb 17 Effektive Möglichkeiten zur Vermeidung von Stillstandsmarkierungen und False-Brinelling-Schäden 17.1 Bekannte Lösungsansätze unter Quasi-Stillstandsbedingungen 17.1.1 Mechanisches Trennen von Grund- und Gegenkörper 17.1.2 Pressung erhöhen 17.1.3 Schwingungen reduzieren 17.1.4 Stillstand vermeiden 17.1.5 Geeignete Schmierstoffe 17.1.6 Beschichtungen 17.1.7 Geeignete Prüftechnik 17.1.8 Geeignete Prüftechnik für das Praxisbeispiel Blattlagerung Windkraftanlage 18 Zusammenfassung 19 Ausblick 20 Literaturhinweise und Quellenangaben 20.1 Internet 20.2 Patente 20.3 Normen 21 Stichwortverzeichnis
Einleitung - Grundlagen und Begriffsdefinitionen - Systemanalyse betroffener realer Systeme (Praxisbeispiel) - Überblick über den Stand der Wissenschaft und Technik - Grundlagen Kontaktmechanik - Beschreibung der Vorgänge im Kontaktbereich bei der Entstehung von Stillstandsmarkierungen - Prüftechnik - Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Größen des Beanspruchungskollektivs - Einfluss des Zwischenstoffs (Grundöl, Verdicker, Additive) - Einfluss des Werkstoffs, der Härte und Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen - Einfluss geometrischer und topografischer Parameter - Einfluss konstruktiver Parameter - Einfluss von Stillstandsmarkierungen auf die Lebensdauer - FEM-Berechnungen und Computersimulation - Effektive Möglichkeiten zur Vermeidung von Stillstandsmarkierungen und False-Brinelling-Marken.
1 Einleitung 1.1 Schäden an Wälzlagern durch kleine Schwenkwinkel und Vibration 1.2 Wälzlagerschäden und Ausfallursachen 1.2.1 Hauptausfallarten von Wälzlagern (nach ISO 15243) 1.2.1.1 Werkstoffermüdung 1.2.1.2 Verschlei 1.2.1.3 Korrosion 1.2.1.4 Elektroerosion 1.2.1.5 Plastische Verformung 1.2.1.6 Bruch und Rissbildung 1.3 Praxisbezug 2 Grundlagen und Begriffsdefinitionen 2.1 Entstehung des Begriffs „False-Brinelling 2.2 False-Brinelling oder Stillstandsmarkierung? 2.3 Abgrenzung zu verschiedenen ähnlichen Schadensbildern 2.3.1 Riefenbildung 2.3.2 Eindrücke 2.3.3 Riffel- oder Muldenbildung 2.3.3.1 Riffelbildung infolge elektrolytischer Kontaktkorrosion 2.3.3.2 Riffelbildung infolge Stromdurchgang 2.3.3.3 Riffelbildung, hervorgerufen durch Stillstandserschütterungen 3 Systemanalyse betroffener realer Systeme (Praxisbeispiele) 3.1 Windenergieanlagen und Pitchsysteme (von Matthias Stammler 3.1.1 Individual Pitch Control (IPC) 3.1.2 Rotorblattlager 3.1.3 Belastungen in Blattlagern 3.1.4 Schadensmechanismen 3.1.5 Zusammenfassung und Ausblick 3.2 Stoßdämpfer-Domlager 3.3 Pkw-Radlager (Hub-Units) 4 Überblick über den Stand der Wissenschaft und Technik 4.1 Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet der Stillstandsmarkierungen und des False-Brinellings 4.2 Zusammenhang zwischen Stillstandsmarkierungen und tribochemischer Reaktion 4.2.1 Stand der Wissenschaft zum Thema Schwingreibverschleiß (Passungsrost, engl. „fretting corrosion“) 4.2.2 Theorien zur Rissentstehung und –ausbreitung bei Schwingbelastung 4.2.2.1 Ansätze basierend auf experimentellen Untersuchungen 4.2.2.2 Mathematisch-theoretische Ansätze auf Basis der Kontaktmechanik 4.3 Zusammenfassung des Standes der Wissenschaft 4.3.1 Zusammenfassung des Standes der Wissenschaft bezüglich Schwingreibverschleiß (Fretting) 5 Grundlagen zur Kontaktmechanik 5.1 Kontaktmodelle 5.1.1 Statischer Fall (Hertzsche Beanspruchung) unter reiner Normalkraft 5.1.2 Statischer Fall – Konstante Flächenlast mit konstanter Tangentialkraft 5.1.3 Statischer Fall – Punkt- bzw. Linienkontakt mit konstanter Normalkraft und konstanter Tangentialkraft 5.1.4 Dynamischer Fall – Punkt- bzw. Linienkontakt mit konstanter Normalkraft und sich verändernder Tangentialkraft 5.1.5 Dynamischer Fall - Rollen 5.1.6 Einflussfaktoren auf die entstehenden Spannungen 5.1.6.1 Elastisch-plastisches Verhalten 5.1.6.2 Einlaufeffekte 5.1.6.3 Bewertung der für die Rollreibung verantwortlichen Effekte 5.1.6.4 Schmierung 5.1.6.5 Thermo-elastische Effekte 5.1.6.6 Adhäsion 5.1.6.7 Rauheit 5.1.7 Zusammenfassung der im False-Brinelling-Kontakt wirkenden Spannungen 6 Lebensdauerberechnung, FEM-Berechnung, Computersimulation 7 Beschreibung der Vorgänge im Kontaktbereich bei der Entstehung von Stillstandsmarkierungen 7.1 Übergang von theoretischen Kontaktmodellen zu experimentellen Ergebnissen und zur tribologischen Schädigung 7.2 Anschauliche Darstellung der Wirkung der Spannungen in der Kontaktzone 8 Laborprüftechnik 8.1 Übersicht über die weltweit eingesetzten Laborprüfmethoden im Zusammenhang mit Stillstandsmarkierungen und False-Brinelling 8.1.1 Fafnir Fretting-Test (ASTM D4170) 8.1.2 SNR-FEB2-Test 8.1.3 SKF-Schwingprüfer 8.1.4 HRE-IME-Riffeltest und Pulsationsprüfstände 8.1.5 Sonstige bekannte False-Brinelling-Prüfstände 8.2 Prüftechnik an der Hochschule Mannheim 8.2.1 Versuche unter dynamischer Axiallast auf der servo-hydraulischen Prüfmaschine „Isotron Sinus Hydropuls 8.2.2 Versuche unter dynamischer, rotatorischer Schwingbewegung (False- Brinelling-Prüfstand) 8.2.3 Versuche auf dem Schwing-Reibverschleiß-Prüfstand (SRV®) 8.3 Festlegung von Standardprüfbedingungen 8.4 Festlegung von Referenz- und Musterschmierstoffen 8.5 Festlegung geeigneter Messgrößen 8.6 Statistik 9 Schadensentwicklung – Wirkende Verschleißarten und -mechanismen 9.1 Typische Schadensbilder 9.2 Schadensentwicklung bei kleinen Schwenkwinkeln (Quasi- Stillstandsmarkierungen) 9.3 Schadensentwicklung bei größeren Schwenkwinkeln (False-Brinelling- Bedingungen / SNR-FEB2-Test) 9.4 Lokal unterschiedliche Verschleißerscheinungen 9.4.1 Haftzone 9.4.2 Zone partiellen Gleitens 9.4.3 Mittlere Ellipsenkontur 9.4.4 Wälzbereich bei größeren Schwenkwinkeln 9.4.5 Kreisförmige Kratzer in der Stillstandsmarkierung (Spin der Kugel) 9.5 Wirkende Verschleißmechanismen 9.5.1 Tribochemische Reaktion 9.5.2 Oberflächenzerrüttung 9.5.3 Adhäsion 9.5.4 Wälzverschlei 10 Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Größen des Beanspruchungskollektivs 10.1 Einfluss der Belastungsform: axial-pulsend oder rotatorisch-oszillierend 10.2 Einfluss der Schwingzyklenzahl 10.3 Einfluss der Normalkraft 10.4 Einfluss der Lastfrequenz bei axialer Pulsation 10.5 Einfluss der Schwingfrequenz 10.6 Einfluss der Luftfeuchtigkeit und von Wasser im Schmierstoff 10.7 Einfluss der Temperatur 10.8 Einfluss des Schwenkwinkels 11 Einfluss des Zwischenstoffs (Grundöl, Verdicker, Additive) 11.1 Einfluss der Schmierstoffart (Öl / Fett) 11.2 Einfluss des Grundöls 11.2.1 Poly-Alpha-Olefin (PAO) 11.2.2 Trimethylolpropan Ester (TMP) 11.2.3 Polyglykol (PG) 11.2.4 Polyfluorierter Polyether (PFPE) 11.2.5 Paraffinbasisches Mineralöl 11.2.6 Naphthenbasisches Mineralöl 11.2.7 Silikonöl 11.2.8 Übersicht 11.3 Einfluss des Verdickers 11.4 Einfluss der Konsistenz und Viskosität 11.5 Einfluss von Additiven 11.6 Einfluss von Festschmierstoffen 11.7 Sonstige Erkenntnisse zum Schmierstoffeinfluss 11.7.1 Veröffentlichte Daten aus der Schmierstoffindustrie 11.7.2 Fettmischungen 12 Einfluss des Werkstoffs, der Härte und Oberflächenbehandlung und Nutzen von Beschichtungen 12.1 Einfluss der Laufbahnhärte 12.2 Einfluss des Kugelwerkstoffs 12.2.1 Wirkung von keramischen Wälzkörpern 12.3 Einfluss von Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen 12.3.1 Nitrocarburieren 12.3.2 Brünieren 12.3.3 DLC-Schichten 12.4 Einfluss des Einlaufvorgangs und der Kaltverfestigung 13 Einfluss geometrischer und topografischer Parameter 14 Einfluss konstruktiver Parameter 14.1 Einfluss der Lagerart (Axial-, Radiallager / Kugel-, Rollenlager) 14.2 Einfluss der Vorspannung bzw. des Lagerspiels 14.3 Einfluss der Schmiegung 14.4 Einfluss der Einbaulage 15 Untersuchung der Verschleißpartikel und Oxidationsprodukte 16 Einfluss von Stillstandsmarkierungen auf die Lebensdauer im Normalbetrieb 17 Effektive Möglichkeiten zur Vermeidung von Stillstandsmarkierungen und False-Brinelling-Schäden 17.1 Bekannte Lösungsansätze unter Quasi-Stillstandsbedingungen 17.1.1 Mechanisches Trennen von Grund- und Gegenkörper 17.1.2 Pressung erhöhen 17.1.3 Schwingungen reduzieren 17.1.4 Stillstand vermeiden 17.1.5 Geeignete Schmierstoffe 17.1.6 Beschichtungen 17.1.7 Geeignete Prüftechnik 17.1.8 Geeignete Prüftechnik für das Praxisbeispiel Blattlagerung Windkraftanlage 18 Zusammenfassung 19 Ausblick 20 Literaturhinweise und Quellenangaben 20.1 Internet 20.2 Patente 20.3 Normen 21 Stichwortverzeichnis
Einleitung - Grundlagen und Begriffsdefinitionen - Systemanalyse betroffener realer Systeme (Praxisbeispiel) - Überblick über den Stand der Wissenschaft und Technik - Grundlagen Kontaktmechanik - Beschreibung der Vorgänge im Kontaktbereich bei der Entstehung von Stillstandsmarkierungen - Prüftechnik - Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Größen des Beanspruchungskollektivs - Einfluss des Zwischenstoffs (Grundöl, Verdicker, Additive) - Einfluss des Werkstoffs, der Härte und Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen - Einfluss geometrischer und topografischer Parameter - Einfluss konstruktiver Parameter - Einfluss von Stillstandsmarkierungen auf die Lebensdauer - FEM-Berechnungen und Computersimulation - Effektive Möglichkeiten zur Vermeidung von Stillstandsmarkierungen und False-Brinelling-Marken.
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