TU Darmstadt / ULB / TUprints

Phänomenologische Betrachtung der sensorisch nutzbaren Effekte am Wälzlager – Einfluss unbelasteter Wälzkörper auf die elektrische Impedanz

Schirra, Tobias (2021):
Phänomenologische Betrachtung der sensorisch nutzbaren Effekte am Wälzlager – Einfluss unbelasteter Wälzkörper auf die elektrische Impedanz. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017957,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Wälzlagerimpedanz.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (3MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Phänomenologische Betrachtung der sensorisch nutzbaren Effekte am Wälzlager – Einfluss unbelasteter Wälzkörper auf die elektrische Impedanz
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

This work deals with the refinement of the electrical impedance model of rolling bearings, in order to predict bearing forces via the measurement of the impedance. The purpose of this model is to use rolling bearings as a load sensor by measuring the impedance. Therefore, radially loaded deep groove ball bearings under elastohydrodynamic lubrication conditions are investigated in this work. The state of the art describes rolling contacts as plate capacitors whose plate spacing is the lubricant film thickness and whose area is the Hertzian area. In addition, the influence of the non-deformed area around the Hertzian area is described with a factor that depends on the lubricant film thickness and the radial load. In recent research about the individual contact, the influence of this non-deformed region has been described phenomenologically by a calculation of the electric field, replacing the empirical factor. An important contradiction can be derived from literature: unloaded rolling elements, having no Hertzian area, have no capacitance, but at the same time non-deformed areas outside the Hertzian area provide a contribution to the capacity of loaded rolling elements. In addition, the capacitance of unloaded rolling elements has already been proven by measurement. For this reason, the impedance model of rolling bearings is extended in this work to take the influence of unloaded rolling elements, and the phenomenological model of the non-deformed area from the research on the single contact into account. The calculated rolling bearing impedance of this extended model is compared with test data and it is shown that the extended model is an improvement compared to the state of the art. In addition to the impedance value, the frequency spectrum of the measurement is also investigated and a model is developed to describe the frequencies that occur. This model is based on the assumption that the occurring frequencies essentially depend on unbalance forces and the number of rolling elements in the load zone. If the radial load vector points to one rolling element or exactly between two rolling elements, two dif-ferent electrical impedance values result. The regular change of the impedance between these states is visible as a peak in the frequency spectrum. After validation of the developed model, the amplitudes of these frequencies are used to compare the extension of the impedance model with the state of the art. It is shown that the model extension describes the measured rolling bearing impedance with a significantly lower, almost con-stant difference. Finally, approaches are shown to generalize and transfer the extended model to various rolling bearing types.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XV, 155 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd)
Date Deposited: 11 May 2021 10:18
Last Modified: 11 May 2021 10:18
DOI: 10.26083/tuprints-00017957
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-179573
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard and Wartzack, Prof. Dr. Sandro
Refereed: 2 February 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17957
Export:
Actions (login required)
View Item View Item