Local Temperatures at Electric Contacts in Ball Bearings at Mixed Lubrication

This thesis focuses on the tribological contacts in a laboratory setup with one axial ball bearing, at mixed lubrication, exposed to DC currents above 0.5 A. This work gives the bearing electrical characteristics and the influencing factors in the bearing fluting generation. The tribological contact between the ball and the raceway of the axial ball bearing type 51208 is described with a focus on several relevant parameters (such as bearing speed, bearing force, and bearing current) for the bearing electric behavior. The surface roughness and the covering oxide layer on the surface of the ball and of the raceway in the Hertz’ian area mainly determine the electrical behavior. White light interferometry (WLI) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) are used to study the roughness and oxide layer, respectively. The established knowledge of electric contacts, developed for mechanical switches, is used to describe the measured bearing voltage u_b and bearing current i_b. It turns out that the electric current flows only through tiny bottle-necked areas within the Hertz’ian area, resulting in an electrical constriction resistance and the generation of so-called a-spots (according to R. Holm). The A-fritting and B-fritting of the oxide layer are explained in connection with the measured voltage and current signals. It is revealed that with a non-interrupted bearing current (DC or AC) with an amplitude of typically more than 0.5 A, the bearing voltage remains at values of around 1 V. This behavior resembles antiparallel diodes with a forward voltage of about the fritting voltage. The temperature-rise ∆T_c, due to the electric current flow at a local metal-metal contact (a-spot), in the Hertz’ian area is analytically and numerically calculated. The finite element simulation results agree with the analytical calculations. Assuming identical electric contacts for all the ball-raceway contacts of the axial ball bearing at mixed lubrication, a bearing voltage of 0.8 V results in local contact temperatures of ca. 1035 °C in less than 1 µs. The findings show that the melting temperature (ca. 1400 °C) and softening temperature (ca. 800 °C) of the bearing steel occur at respectively a bearing voltage of 1.05 V and 0.65 V. At a continuous bearing current, with an amplitude above 0.5 A, bearing voltages in the range 0.65–1.05 V are typically measured, implying the existence of local electric contact points with these locally elevated temperatures. The blackened (burned) lubricant, and the imprints of local melting points in scanning electron microscopy (SEM) of the surface agree with these calculated elevated temperatures. The electrical characteristic of the ball-raceway contact is similar to the Ring-Ring metal contact in a second laboratory setup, investigated in this work. With the steel Ring-Ring setup, which is a single rolling contact, the fluting is generated as well as in the bearings. The measured contact voltage in the Ring-Ring setup is almost equal to the ball-raceway contact voltage in the bearing. With rings of carbon steel, aluminum, and copper a contact voltage is observed, similar to the bearing steel. The steel Ring-Ring contact shows that with an increased thickness of the oxide layer, e.g. in a high temperature furnace, the contact voltage increases, and with a decreased thickness of the oxide layer, e.g. using acid, the contact voltage decreases. Unlike steel rings, the contact voltage between two silver rings is almost zero, due to the absence of an oxide layer on the silver rings. A study of parameters (such as bearing speed, bearing force, bearing temperature, and bearing current amplitude) on the fluting generation with HF bearing currents at voltage-source inverter operation is generally time-consuming, because the duration of electric current conduction at each inverter switching incident is generally much shorter than of a continuous DC and AC current. In this work, the fluting generation is investigated mainly with DC currents mostly at high current densities above 1 A/mm2. Changing the electrical and mechanical parameters resulted in advancing or postponing the fluting generation. Despite an apparent current density above 1 A/mm2, in some cases no fluting is generated within the selected test duration. An increased bearing current density or increased bearing speed, and a decreased bearing force or decreased bearing temperature, increase the chance of fluting. With DC currents, the fluting almost always appears first on the ring with the negative polarity. With AC currents (up to 1 MHz) no fluting is observed after up to 168 hours of operation. With DC currents, having the equal amplitude to the AC currents, the fluting is generated in less than 24 hours. In tests with a DC current, the oxide layer thickness on the negative ring may be reduced due to the direction of the electric field. Measurements in long-term tests of up to 168 hours with DC currents, show that the negative ring (except at a very high current density of 58.6 A/mm2) loses more mass than the positive ring. Unlike the negative ring, the positive ring in some cases even gains additional mass. Rectifying the discharge bearing currents resulted in bearing fluting at an early time on the negative rings of the bearings in an inverted-fed induction machine of 90 W. A test with a deliberately created pit on the raceway was run to cause an additional lateral vibration of the ball on the raceway, in the absence of any bearing current. This test did not result in any fluting. The fluting on a fluted bearing does not relocate or develop in the absence of bearing currents. Hence, the electric current flow is essential in addition to the lateral vibrations for the fluting generation. Tests without lubrication in the Ring-Ring setup result in no fluting. Hence, an elastic medium, like the lubrication film, is essential for the lateral vibrations of the rings. The hardness of the material is essential for the fluting generation, as with copper and silver no fluting is observed. With aluminum, the fluting is observed first on the positive ring. An increased slide-to-rolling ratio (ratio of sliding speed to rolling speed) in the Ring-Ring contact changed the shape of flutings pattern. This work achieved a reasonable explanation for the high local temperatures in the Hertz’ian area at an electric current flow in mixed lubrication. A variety of tests are conducted and interpreted to understand the electrical characteristic of the bearing, based on the well-established knowledge of classical electric contacts in mechanical switches. Various test conditions are investigated to enlighten the fluting generation mechanism. The results are explained to the best of the author’s knowledge. Nevertheless, no proof or completeness of the fluting generation mechanism is claimed. Here, still further detailed investigation on the current flow at moving and vibrating electrical contact together with a simultaneous change of the surface properties of the contact partners are necessary.

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf den tribologischen Kontakten in einem Laboraufbau mit einem Axialkugellager (Typ 51208) bei Mischreibung, dass Gleichströmen über 0,5 A ausgesetzt ist. Diese Arbeit beschreibt die elektrischen Eigenschaften des Lagers und die Einflussfaktoren bei der Entstehung von Riffelbildung im Wälzlager. Der tribologische Kontakt zwischen Kugel und Laufbahn des Axialkugellagers vom Typ 51208 wird unter Berücksichtigung mehrerer relevanter Parameter (wie Lagerdrehzahl, Lagerkraft, Lagerstrom) für das elektrische Verhalten des Lagers beschrieben. Die Oberflächenrauheit und die deckende Oxidschicht auf der Oberfläche der Kugeln und der Laufbahn in der Hertz’schen Kontaktfläche bestimmen hauptsächlich das elektrische Verhalten. Weißlichtinterferometrie (WLI) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) werden verwendet, um die Rauheit bzw. die Oxidschicht zu untersuchen. Das etablierte Wissen über elektrische Kontakte, entwickelt für mechanische Schalter, wird verwendet, um die gemessene Lagerspannung u_b und den Lagerstrom i_b zu beschreiben. Es stellt sich heraus, dass der elektrische Strom nur durch winzige verengte Flächen (a-spots) im Hertz’schen Kontaktfläche fließt, was zu einem elektrischen Engpasswiderstand und der Bildung von a-spots (gemäß R. Holm) führt. Die A- und B-Frittung der Oxidschicht werden im Zusammenhang mit den gemessenen Spannungs- und Stromsignalen erklärt. Es zeigt sich, dass bei einem zeitlich nicht unterbrochenen Lagerstrom (DC oder AC) mit einer Amplitude von typischerweise mehr als 0,5 A die stationäre Lagerspannung bei Werten um 1 V bleibt. Dieses Verhalten ähnelt antiparallelen Dioden mit einer Durchlassspannung, die etwa der Frittungsspannung entspricht. Der Temperaturanstieg ∆T_c aufgrund des elektrischen Stromflusses bei einem lokalen Metall-Metall-Kontakt (a-spot) in der Hertz’schen Kontaktfläche wird analytisch und numerisch berechnet. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation stimmen mit den analytischen Berechnungen überein. Mit der Annahme identischer elektrischer Kontakte für alle Kugel-Laufbahn-Kontakte des Axialkugellagers bei Mischreibung, führt eine Lagerspannung von 0,8 V zu lokalen Kontakttemperaturen von ca. 1035 °C in weniger als 1 µs. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schmelztemperatur (ca. 1400 °C) und die Erweichungstemperatur (ca. 800 °C) des Lagerstahls bei einer Lagerspannung von jeweils 1,05 V bzw. 0,65 V auftreten. Bei einem kontinuierlichen Lagerstrom mit einer Amplitude über 0,5 A werden typischerweise Lagerspannungen im Bereich von 0,65–1,05 V gemessen, was auf das Vorhandensein von lokalen elektrischen Kontaktpunkten mit diesen lokal erhöhten Temperaturen hinweist. Das geschwärzte (verbrannte) Schmiermittel und die mit Eindrücken von lokalen Schmelzpunkten in der gemessenen Oberfläche stimmen mit diesen berechneten erhöhten Temperaturen überein. Die elektrische Charakteristik des Kugel-Laufbahn-Kontakts ähnelt dem Ring-Ring-Metallkontakt in einem zweiten Laboraufbau, der in dieser Arbeit untersucht wird. Mit dem Stahl-Ring-Ring-Aufbau, der einen einzelnen Wälzkontakt darstellt, wird die Riffelbildung in gleicher Weise, wie in den Lagern, erzeugt. Die gemessene Kontaktspannung im Ring-Ring-Aufbau ist nahezu gleich der Kugel-Laufbahn-Kontaktspannung im Lager. Mit Ringen aus Kohlenstoffstahl, Aluminium und Kupfer wird eine Kontaktspannung beobachtet, die der des Lagerstahls ähnelt. Der Stahl-Ring-Ring-Kontakt zeigt, dass bei einer erhöhten Dicke der Oxidschicht, z.B. durch Lagerung in einem Hochtemperaturofen, die Kontaktspannung steigt, und bei einer verringerten Dicke der Oxidschicht, z.B. durch Abtragung bei Verwendung von Säure, die Kontaktspannung sinkt. Im Gegensatz zu Stahlringen ist die Kontaktspannung zwischen zwei Silberringen aufgrund der fehlenden Oxidschicht auf den Silberringen fast null. Eine Parameterstudie (mit den wesentlichen Parametern Lagerdrehzahl, Lagerkraft, Lagertemperatur, Lagerstromamplitude) zur Riffelbildung mit HF-Lagerströmen (HF: High Frequency) bei Betrieb eines E Motors mit Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter ist im Allgemeinen zeitaufwändig, da die Dauer der elektrischen Stromführung im Lager bei jedem Schaltvorgang des Umrichters im Allgemeinen viel kürzer ist als bei einem kontinuierlichen DC- und AC-Strom. In dieser Arbeit wird daher die Riffelbildung hauptsächlich mit Gleichströmen, meist bei hohen scheinbaren Lagerstromdichten über 1 A/mm², untersucht. Änderungen der elektrischen und mechanischen Parameter führten zu einer Beschleunigung oder Verzögerung der Riffelbildung. Trotz der relativ großen scheinbaren Stromdichte von über 1 A/mm² wurde in einigen Fällen innerhalb der gewählten relativ kurzen (ca. 14–168 h) Testdauer keine Riffel erzeugt. Eine erhöhte Lagerstromdichte oder erhöhte Lagerdrehzahl und eine verringerte Lagerkraft oder verringerte Lagertemperatur erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Riffelbildung. Bei Gleichströmen tritt die Riffelbildung fast immer zuerst auf dem Ring mit negativer Polarität auf. Bei Wechselströmen (bis zu 1 MHz) wurde nach bis zu 168 Stunden Betrieb keine Riffelbildung beobachtet. Bei Gleichströmen, die die gleiche Amplitude wie die Wechselströme hatten, wurde die Riffelbildung in weniger als 24 Stunden erzeugt. In Tests mit Gleichstrom kann die Dicke der Oxidschicht auf dem negativen Ring aufgrund der gleichbleibenden Richtung des elektrischen Feldes verringert werden. Messungen in Langzeittests von bis zu 168 Stunden mit Gleichströmen zeigen, dass der negative Ring (außer bei einer sehr hohen scheinbaren Lagerstromdichte von 58,6 A/mm²) mehr Masse verliert als der positive Ring. Im Gegensatz zum negativen Ring gewinnt der positive Ring in einigen Fällen sogar zusätzliche Masse. Die gleichgerichteten Durchschlagströme bei Umrichterbetrieb, die sogenannten EDM-Lagerströme (EDM: Electric Discharge Machining), führten zu einer frühzeitig einsetzenden Riffelbildung an den Laufbahnen der Wälzlager in einer umrichtergespeisten Induktionsmaschine mit 90 kW, was den DC-Effekt zu bestätigen scheint. Ein Test mit einer absichtlich erzeugten Vertiefung auf der Laufbahn wurde durchgeführt, um eine zusätzliche laterale Vibration der Kugel auf der Laufbahn zu verursachen, ohne dass ein Lagerstrom vorhanden war. Dieser Test führte zu keiner Riffelbildung, sodass Stromfluss für die Riffelbildung nötig ist. Die weitere Riffelbildung an einem bereits vorgeschädigten geriffelten Lager verlagert sich nicht oder entwickelt sich nicht in Abwesenheit von Lagerströmen weiter. Daher ist der elektrische Stromfluss neben den lateralen Vibrationen für die Riffelbildung notwendig. Tests ohne Schmierung im Ring-Ring-Aufbau führen zu keiner Riffelbildung. Daher ist ein elastisches Medium, wie der Schmierfilm, für die Riffelbildung über lateralen Vibrationen der Ringe unerlässlich. Die Härte des Materials ist entscheidend für die Riffelbildung, da bei Kupfer und Silber keine Riffelbildung beobachtet wird. Bei Aluminium tritt die Riffelbildung zuerst auf dem positiven Ring auf. Ein erhöhtes Gleit-Rollen-Verhältnis (Verhältnis der Gleitgeschwindigkeit des Wälzkörpers zur Rollgeschwindigkeit) im Ring-Ring-Kontakt veränderte die Form des Riffelmusters. Diese Arbeit lieferte eine plausible Erklärung für die hohen lokalen Temperaturen in der Hertz’schen Kontaktfläche bei einem elektrischen Stromfluss im Zustand der Mischreibung. Es wurde eine Vielzahl von Tests durchgeführt und interpretiert, um die elektrische Charakteristik des Lagers auf der Grundlage des etablierten Wissens über klassische elektrische Kontakte in mechanischen Schaltern zu verstehen. Verschiedene Testbedingungen wurden untersucht, um den Mechanismus der Riffelbildung zu erhellen. Die Ergebnisse werden nach bestem Wissen des Autors erklärt. Dennoch kann daraus keine vollständige Beweisführung zum Mechanismus der Riffelbildung abgeleitet werden.