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Die Wälzlagerimpedanz als Werkzeug zur Untersuchung von Oberflächenabweichungen in Wälzlagern

Martin, Georg (2021):
Die Wälzlagerimpedanz als Werkzeug zur Untersuchung von Oberflächenabweichungen in Wälzlagern. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019712,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Die Wälzlagerimpedanz als Werkzeug zur Untersuchung von Oberflächenabweichungen in Wälzlagern
Language: German
Abstract:

In der Wälzlagerforschung ist seit langem bekannt, dass die elektrische Impedanz von Wälzlagern durch die Schmierfilmdicke, die Hertzsche Fläche sowie durch metallische Kontakte von Rauheitsspitzen im Wälzkontakt bestimmt wird. Die Frage, ob diese Zusammenhänge genutzt werden können, um anhand der Impedanz auf die Oberflächeneigenschaften zu schließen, wurde bisher nicht betrachtet. Da Wälzlagerschäden, z.B. Pittings, Abweichungen der Oberflächen von der Nenngeometrie sind, können solche Rückschlüsse genutzt werden, um Wälzlagerschäden im Sinne einer Zustandsüberwachung zu diagnostizieren. Als Grundlage für die Entwicklung dieses Ansatzes zur Zustandsüberwachung wird in dieser Arbeit untersucht, wie die Wälzlagerimpedanz mit Oberflächenabweichungen zusammenhängt. Dafür wird zunächst eine hochfrequente Messung der Lagerimpedanz entwickelt und umgesetzt. Daraufhin werden Dauerversuche mit fünf Schrägkugellagern durchgeführt, wobei die Impedanz bis zur Entstehung eines Pittings und darüber hinaus während des weiteren Fortschreitens des Schadens, gemessen wird. Es zeigen sich charakteristische Ausschläge in den Impedanzsignalen, die den entstandenen Schäden zugeordnet werden können. Um ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen Impedanz und Oberflächenabweichungen zu erlangen, wird eine weitere Versuchsreihe mit künstlich eingebrachten Strukturen durchgeführt. Dabei werden verschiedene Merkmale der Ausschläge im Impedanzsignal untersucht, davon erweisen sich zwei Merkmale als besonders aussagekräftig, um die eingebrachten Oberflächenstrukturen zu charakterisieren. Anhand der Dauer der Ausschläge kann auf die Länge der Strukturen geschlossen werden. Anhand des zeitlichen Abstands kann, durch Zuordnung zu den Überrollfrequenzen, erkannt werden kann ob eine Oberflächenabweichung auf dem Außenring, dem Innenring oder einem Wälzkörper vorliegt. Diese an künstlichen Oberflächenstrukturen gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend auf die Daten der Dauerversuche angewandt. Die Dauer der Ausschläge stimmt bei drei von fünf Lagern gut mit der tatsächlichen Schadenslänge überein, bei zwei weiteren Lagern können keine validen Aussagen abgeleitet werden. Die Zuordnung eines Schadens zu Außenring oder Innenring - Wälzkörperschäden traten nicht auf - ist anhand der Überrollfrequenzen in allen fünf Lagern möglich. Die prinzipielle Eignung der Impedanz als Werkzeug zur Zustandsüberwachung wird damit bestätigt. Um die verbleibenden Unsicherheiten zu reduzieren, eine zuverlässige Diagnose zu erreichen und ein praktisch anwendbares Werkzeug zu entwickeln, sind weitere experimentelle oder numerische Untersuchungen nötig, die abschließend skizziert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

It is common knowledge in bearing research that the electric impedance of rolling bearings is governed by the lubrication film thickness, the Hertzian contact area and metallic contact of roughness asperities. However, the possibility to infer information about surface deviations from these well-known relationships has not been adressed so far. Such inferences could be used for condition monitoring of rolling bearings, since many common types of bearing damage, e.g. pittings or spalls, are in fact deviations of the surface from the nominal geometry. In order to lay the foundations for the development of such a condition monitoring approach, this thesis investigates the relationship between bearing impedance and surface deviations. As a first step, endurance tests are conducted with five angular contact ball bearings. Impedance is measured until the occurence of initial damage and during damage progression. Characteristic peaks occur in the impedance signal, which can be attributed to the damage. In order to obtain a deeper understanding of the relationships between surface deviations and bearing impedance, a second study is performed with artificial surface structures. Several features of the impedance peaks are investiged, two of them deliver meaningful and reliable information about the surface structures. The structure length can be calculated from the duration of the peaks. The location of the damage on outer raceway, inner raceway or rolling elements can be inferred by comparing the time lag between the peaks to the known ball pass frequencies. These insights gained in the investigations on artificial structures are then applied to the endurance test data. For three of the five bearings tested, the duration of the peaks agrees well with the actual length of the pittings. For two bearings, no valid conclusions about the damage geometry can be drawn. However, the location of the damage on outer or inner raceway - no damage on a rolling element occured during the tests - can be correctly identified for all five bearings. The results of this thesis show that the bearing impedance can be used as a tool for condition monitoring of rolling bearings. In order to reduce the remaining uncertainties, achieve a reliable diagnosis and develop a tool for practical application, further numeric or experimental work is necessary, as described in the closing chapter.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 130, XLVII 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: 04 Nov 2021 13:13
Last Modified: 04 Nov 2021 13:13
DOI: 10.26083/tuprints-00019712
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197120
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard ; Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan
Refereed: 27 April 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19712
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