momentes mit Erhöhung der Drehzahl und Last. Das Phänomen dieser Reibmomententwicklung wird in mehreren Quellen erwähnt und teilweise untersucht [1-5]. So kommt [1] zu der Erkenntnis, dass die Reibmomentüberhöhung abhängig von der Drehzahl und Axiallast des Lagers ist. Des Weiteren beschreibt er eine Verschiebung des Phänomens zu höheren Lasten bei steigenden Drehzahlen, was [2] bestätigt. Als einen weiteren Einflussfaktor identifiziert [1] die Schmierstoffmenge. Je weniger Schmierstoff im Lager vorhanden ist, desto geringer fällt die Reibmomentüberhöhung aus. Als mögliche Ursache identifiziert [1] die Planschreibverluste durch die Schmierstoffverdrängung der Wälzkörper. Diese Abhängigkeit kann [2] nicht nachweisen und führt dies auf die von [1,3] beschriebene Abhängigkeit von der Lagergeometrie zurück. Das Phänomen der Reibmomentüberhöhung bei geringen Drehzahlen lässt sich auch in den Ergebnissen von [4] finden. Ein expliziter Erklärungsansatz wird dort aber nicht gegeben. [5] beschreibt Überhöhungen der Lagertemperatur, des Antriebsmomentes und der Verlagerung des Lagers im Aus Wissenschaft und Forschung 26 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Einleitung Bei der Untersuchung Öl-Luft geschmierter Spindellager zeigte sich bei einem Großteil der Untersuchungen im unteren bis mittleren Drehzahlbereich eine deutliche Überhöhung oder ein starkes Schwanken des Reibmomentes, welches sich negativ auf die Temperaturentwicklung im Lager auswirkt. Beim Einsatz der Lager in Hauptspindeln kann diese Temperaturentwicklung zu einer Nichteinhaltung der geforderten Genauigkeiten während der Bearbeitung führen. Das beobachtete Verhalten des Reibmomentes steht im Widerspruch mit dem erwarteten Verhalten eines monoton ansteigenden Reib- Einflussfaktoren auf das Reibmoment Öl-Luft-geschmierter Spindellager C. Brecher, A. Bartelt, M. Fey, A. Hassis, B. Lehner* Eingereicht: 25. 11. 2017 Nach Begutachtung angenommen: 1. 12. 2017 Beim Betrieb von Öl-Luft geschmierten Spindellagern treten unter bestimmten Bedingungen im unteren und mittleren Drehzahlbereich Reibmomentüberhöhungen auf. Diese können zu einer unerwünschten Temperaturentwicklung im Lager und damit, beim Einsatz in einer Werkzeugmaschine, zu einer ungünstigen Verlagerung des Werkzeuges führen. Als eine der möglichen Ursachen werden in der Literatur die Planschreibverluste durch die Schmierstoffverdrängung der Wälzkörper angeführt. Eine Untersuchung des Reibmomentes mit einer Variation der axialen Lagerbelastung, der Schmierstoffmenge und des Luftdrucks der Schmierstoffversorgung unterstützen diese These. Die Ergebnisse der Variation der Wälzkörperanzahl können diese These allerdings nicht stützen. Schlüsselwörter Reibmoment, Spindellager, Öl-Luft-Schmierung, Reibung, Planschreibverluste Oil-air lubricated bearings operating in a low to medium speed range can show an excessive frictional torque. This can lead to a temperature increase of the bearings, which can lead to an unwanted displacement of the tool if the bearings are used in a machine tool. One possible explanation mentioned in literature refers to splashing losses due to the lubricant displacement of the rolling elements. The measurement of the frictional torque during the variation of the axial loading, lubricant quantity and air pressure of the lubrication supply support this theory. The results of the variation of the number of rolling elements, on the other hand, cannot confirm this theory. Keywords Frictional torque, spindle bearing, oil-air lubrication, friction, splashing loss Kurzfassung Abstract * Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Andreas Bartelt, M.Sc., Dr.-Ing. Marcel Fey, Alexander Hassis, M.Sc., Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, 52074 Aachen Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Lehner, Klüber Lubrication München SE & Co. KG, 81379 München T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 26 Drehzahlbereich bis 8.000 1/ min. Diese Überhöhungen verlagern sich mit zunehmender Axiallast zu höheren Drehzahlen. Als Erklärung führt [5] die größere Verdrängungsarbeit durch mehr Schmierstoff im Wälzkontakt an. Die nachfolgende Untersuchung soll die Einflussfaktoren und Ursachen dieses Phänomens weiter hinterfragen und Erklärungsansätze herausarbeiten. Dazu wird das Reibmoment bei einer Variation der axialen Lagerbelastung, der Schmierstoffmenge, des Luftdrucks der Schmierstoffversorgung und der Variation der Wälzkörperanzahl beobachtet. Diese Untersuchung wurde am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen in enger Kooperation mit der Fa. Klüber Lubrication durchgeführt. Prüfstandstechnik Zur Durchführung der hier beschriebenen Versuche wurde der in Bild 1 (links) abgebildete Prüfstand verwendet [1]. Bei diesem Aufbau befinden sich das Prüfwie auch das Stützlager jeweils in hydrostatisch gelagerten Buchsen. Die axiale und radiale hydrostatische Lagerung der Prüflagerbuchse sperrt fünf Freiheitsgrade. Die Rotation um die Wellenachse, der 6. Freiheitsgrad, wird durch einen Biegebalken gefesselt. Über einen auf dem Biegebalken angebrachten Dehnungsmessstreifen erfolgt die Messung des Lagerreibmoments. Die hydrostatische Radiallagerung der Stützlagerbuchse realisiert eine nahezu reibungsfreie Bewegung in axialer Richtung und ermöglicht eine axiale Krafteinleitung über die Stützlagerbuchse, die unabhängig von der kinematischen, kraftbedingten oder thermischen Verlagerung des Prüf- oder Stützlagers ist. Die Kraft wird über einen Hebel mit einer elektromechanisch verfahrbaren Masse erzeugt. Über ein Stahlseil und Umlenkrollen wird die Last, im Bereich von 350 bis 2.750 N, auf die Buchse aufgebracht. Eine Metallbalgkupplung verbindet den Antriebsmotor und die Prüfwelle. Die erreichbaren Drehzahlen liegen im Bereich von 0 bis 35.000 1/ min. Neben der oben beschriebenen Messung des Lagerreibmomentes können die Innen- und Außenringtemperatur des Prüflagers, die radialen Beschleunigungen der Prüflagerbuchse sowie die relative axiale Verlagerung des Innenrings zum Außenring aufgezeichnet werden (s. Bild 1 rechts). Der Prüfstand erlaubt die Untersuchung von Lager mit einem Außendurchmesser von 110 mm und einem Innendurchmesser von 70 mm. Neben der Verwendung von fettgeschmierten Lagern, kann auch eine Öl-Luft-Schmierung der Prüflinge über axiale Schmierdüsen erfolgen. Versuchsdurchführung Zur Klärung der Einflussfaktoren auf das oben beschriebene Phänomen, werden mehrere Versuche auf dem im Vorfeld vorgestellten Einzellagerprüfstand durchgeführt. Als Prüflinge werden Hybrid-Spindellager mit einem Teilkreisdurchmesser von 90 mm verwendet. Die Öl- Luft-Schmierung erfolgt über zwei Düsen, die den Schmierstoff axial in das Lager einbringen. Um die Drehzahlabhängigkeit der Reibmomentüberhöhung zu untersuchen, werden Stufenläufe mit einer Startdrehzahl von 1.000 1/ min und einem Stufensprung von 1.000 1/ min durchgeführt. Im relevanten Drehzahlbereich von 5.000 1/ min bis 15.000 1/ min, ermittelt durch Vorversuche, werden die Stufensprünge auf 200 1/ min reduziert. Die maximale Drehzahl beträgt 25.000 1/ min. Neben dem Drehzahleinfluss wird auch der Einfluss der axialen Lagerbelastung, der Schmierstoffmenge, des Luftdrucks der Schmierstoffversorgung und der Wälzkörperanzahl untersucht. Darüber hinaus werden Versuche mit einer abgewandelten Form des Stufenlaufes durchgeführt. Das Verhalten während des Abbremsens wird überprüft, indem die Drehzahl, ausgehend von der Maximaldrehzahl, stufenweise reduziert wird. In einer weiteren Abwandlung wird das Prüflager zu Beginn jeder Drehzahlstufe kurzzeitig auf 20.000 1/ min beschleunigt. Die kurze Be- Aus Wissenschaft und Forschung 27 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Bild 1: Verwendeter Prüfstand und Messtechnik [1] T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 27 Aus Wissenschaft und Forschung 28 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 schleunigungsphase des Lagers soll überschüssigen Schmierstoff aus der Wälzkörperlaufbahn verdrängen und so die Planschreibarbeit reduzieren. Die verschiedenen Drehzahlprofile sind in Bild 2 dargestellt. Ergebnisse In den meisten Fällen wird zur Beurteilung des Betriebsverhaltens von Wälzlagern die Temperatur am Außenring herangezogen. Auf Grund der Tatsache, dass sich, bedingt durch die geringe Stufendauer, keine Beharrungstemperatur am Außenring einstellt, eignet sich die Außenringtemperatur bei diesen Untersuchungen nicht als Beurteilungskriterium. Stattdessen wird das gemessene und über eine Drehzahlstufe gemittelte Reibmoment verwendet. Eine Variation der Länge der Schmierstoffleitung zeigt keine erkennbaren Auswirkungen auf das Reibmoment des Versuchslagers. Bild 3 zeigt das Reibmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Axiallast bei einer Schmiermenge von 480 μl/ h. Eine deutliche Verschiebung des Phänomens bei hohen Lasten zu hohen Drehzahlen hin, wie es [1] beschreibt, ist hier nicht erkennbar. Allerdings verkleinert sich der Drehzahlbereich in dem das Phänomen auftritt mit steigender Axiallast und das maximale Reibmoment steigt an. Einen deutlichen Zusammenhang zwischen dem Reibmoment und der Menge an Schmierstoff im Lager ist in Bild 4 zu erkennen. Das mit zunehmender Schmierstoffmenge ansteigende Reibmoment, lässt sich durch einen Anstieg der Planschreibarbeit erklären. Bild 5 zeigt einen Anstieg des Reibmomentes bei einem zunehmenden Förderluftdruck in der Schmierleitung. Eine mögliche Erklärung dafür könnte sein, dass durch den steigenden Druck mehr Schmierstoff entgegen den Verwirbelungen, verursacht durch die Rotation des Lagers, in die Laufbahn Bild 2: Drehzahlprofil des Stufenlaufes, des umgekehrten Stufenlaufes und des Stufenlaufes mit Beschleunigungsphase vor jeder Stufe Bild 3: Gemitteltes Reibmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl bei Variation der Axiallast Bild 4: Gemitteltes Reibmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl bei Variation der Schmiermenge bei 1.500 N Axiallast T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 28 befördert werden kann. Dies würde zu einer Erhöhung der Planschreibarbeit und somit zu einem Anstieg des Reibmomentes führen. Weitere Hinweise auf den starken Einfluss der Planscharbeit liefern Bild 6 und Bild 7. So ist beim umgekehrten Stufenlauf (s. Bild 6) die Reibmomentüberhöhung nur bei den mittleren und niedrigeren Lasten zu erkennen. Die durch die hohen Vorspannungen bedingten großen Kontaktflächen und die Tatsache, dass beim Abbremsen, anders als beim steigenden Stufenlauf, der Schmierstoff zum Anfang einer Drehzahlstufe nicht verdrängt werden muss, sorgen für eine deutliche Reduzierung der Planscharbeit. Nicht ganz so stark ausgeprägt, aber deutlich zu erkennen, ist die Reduzierung des Reibmomentes im unteren und mittleren Drehzahlbereich bei einer Beschleunigung des Lagers auf 20.000 1/ min vor jeder Drehzahlstufe (s. Bild 7). Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass durch die kurze Beschleunigungsphase der Schmierstoff aus der Laufbahn des Wälzkörpers verdrängt wird. Auch hier zeigen die hohen Vorspannungen einen signifikant ruhigeren Verlauf als die mittleren und niedrigen Vorspannungen. Die Ergebnisse der Untersuchung des Lagers mit halbierter Kugelanzahl und angepasster Vorspannung zeigt Bild 8. Um vergleichbare Kontaktverhältnisse mit den vorangegangenen Untersuchungen zu erhalten, wurde die Vorspannkraft halbiert. Wie im Vergleich mit Bild 3 zu sehen ist, ist keine Abhängigkeit des Drehzahlbereiches in dem die Reibmomentüberhöhung auftritt und der Wälzkörperanzahl zu erkennen. Dies wiederspricht der oben angeführten Vermutung, dass die Reibmomentüberhöhung auf Grund der Verdrängung von Schmierstoff aus der Laufbahn des Wälzkörpers entsteht. Ein Lager mit halbierter Wälzkörperanzahl würde dem Aus Wissenschaft und Forschung 29 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Bild 5: Gemitteltes Reibmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl bei Variation des Luftdrucks der Schmierstoffversorgung Bild 6: Gemitteltes Reibmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl beim umgekehrten Stufenlauf und Variation der Axiallast Bild 7: Gemitteltes Reibmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl beim Stufenlauf mit Beschleunigungsphase vor jeder Stufe bei Variation der Axiallast T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 29 Wälzkörperanzahl, mehr Zeit haben in die Wälzkörperlaufbahn zurückzufließen. Somit müsste sich der Bereich der Reibmomentüberhöhung zu höheren Drehzahlen hin ausweiten. Dies ist hier nicht der Fall. Um eine vollständigere Erklärung dieses Phänomens zu erhalten, wird ein genaueres Wissen über die Menge des Schmierstoffes in der Wälzkörperlaufbahn in Abhängigkeit von der Drehzahl und Last benötigt. Dazu kann als Abschätzung eine zuverlässige Messung der Schmierfilmhöhe über den relevanten Drehzahlbereich herangezogen werden. Literatur [1] Rossaint, J.: Steigerung der Leistungsfähigkeit von Spindellagern durch optimierte Lagergeometrien, RWTH Aachen Diss. Aachen 2014 [2] Brecher, C., Fey, M., Brückner, C., Falker, J.: Überwachung des Betriebszustandes von Wälzlagern mittels akustischer Oberflächenwellen, Sensoren und Messsysteme 2014, Nürnberg, 2014 [3] Baly, H.: Reibung fettgeschmierter Wälzlager. Universität Hannover Diss., Hannover, 2005 [4] Steinert, T.: Das Reibmoment von Kugellagern mit bordgeführtem Käfig, RWTH Aachen Diss. Aachen 1995 [5] Gerlach, J. G.: Verbesserung des tribologischen Systems Spindellager im Hinblick auf kritische Schmierungszustände, RWTH Aachen Diss, Aachen 2014 Aus Wissenschaft und Forschung 30 Tribologie + Schmierungstechnik · 65. Jahrgang · 2/ 2018 Schmierstoff mehr Zeit geben, um wieder in die Laufbahn zu fließen, bevor es vom nächsten Wälzkörper verdrängt wird. Erst bei höheren Drehzahlen, im Vergleich zum voll besetztem Lager, wird der Schmierstoff dauerhaft aus der Laufbahn verdrängt. Aus diesem Grund würde sich der Bereich der Reibmomentüberhöhung zu höheren Drehzahlen hin ausweiten. Zusammenfassung und Ausblick Zur Untersuchung des Phänomens der Reibmomentüberhöhung bei Öl-Luft geschmierten Lager im unteren und mittleren Drehzahlbereich wurde das Reibmoment bei der Variation verschiedener Betriebsparameter gemessen. Zur Untersuchung der Drehzahlabhängigkeit wurde ein Stufenlauf von 1.000 1/ min bis 25.000 1/ min als Drehzahlprofil gewählt. Variiert wurden die axiale Lagerbelastung, die Schmierstoffmenge, der Luftdruck der Schmierstoffversorgung und die Wälzkörperanzahl. Des Weiteren wurden der Einfluss des Abbremsens des Lagers in Form eines Stufenlaufes und der Einfluss einer Beschleunigungsphase auf 20.000 1/ min zu Beginn einer Drehzahlstufe untersucht. Eine Erhöhung der axialen Vorspannung zeigte eine deutliche Eingrenzung des Drehzahlbereiches in dem das Phänomen auftritt. Die Reduzierung der zugeführten Ölmenge führte zu einer deutlichen Reduzierung der Reibmomentüberhöhung, eine Erhöhung des Drucks der Schmierstoffversorgung führte jedoch zu einem deutlichen Anstieg des Reibmomentes im relevanten Drehzahlbereich. Die Untersuchung mit einem Stufenlauf mit sinkender Drehzahl sowie bei einem Stufenlauf mit steigender Drehzahl und einer Beschleunigungsphase vor jeder Drehzahlstufe zeigten eine deutliche Reduzierung der Reibmomentüberhöhung bzw. eine vollständige Unterdrückung bei hohen Vorspannungen. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Reibmomentüberhöhung durch eine Schmierstoffansammlung in der Wälzkörperlaufbahn und damit durch eine erhöhte Planschreibung ausgelöst wird. Dagegen spricht allerdings das Ergebnis der Untersuchung eines Lagers mit halber Wälzkörperanzahl. Durch die reduzierte Wälzkörperanzahl sollte das verdrängte Öl, im Vergleich zu einem Lager mit höherer Bild 8: Gemitteltes Reibmoment eines Lagers mit halber Kugelanzahl in Abhängigkeit von der Drehzahl bei Variation der Axiallast T+S_2_2018_.qxp_T+S_2018 08.02.18 15: 35 Seite 30