Schwingungserregung durch elliptisch verformte Kugellager

Die Kräfte und Schwingungen in Wälzlagern wurden in der Vergangenheit vielfach untersucht, jedoch vorwiegend für klassische Anwendungen wie Wellenlagerungen, in denen die Lager von starren Gehäusen gestützt werden und die Lagerringe folglich als rund angenommen werden können. In Spannungswellengetrieben hingegen erfährt das Wälzlager eine elastische, umlaufende Verformung, was eine von runden Lagerringen abweichende Lastverteilung und ein verändertes Schwingungsbild zur Folge hat. Diese Arbeit befasst sich mit der modellbasierten sowie empirischen Untersuchung der Schwingungserregung dieser Wälzlager. Im Fokus stehen hierbei die Kräfte und Verformungen innerhalb dieser Lager, die zum einen zur Schallabstrahlung führen und zum anderen zur Qualitätsprüfung im Rahmen der Schwingungsdiagnose herangezogen werden können. Hintergrund der Untersuchungen sind erste Anwendungen von Spannungswellengetrieben im Fahrzeugbau und damit verbunden erhöhte Anforderungen an ihre Akustik und Zuverlässigkeit. In dieser Arbeit wird zunächst ein numerisches Zeitbereichsmodell entwickelt, das den Verlauf der Kräfte und Verformungen in elliptisch verformten Wälzlagern mit Hilfe der Superposition einzelner Lastfälle berechnet. Im nächsten Schritt wird ein Prüfstand vorgestellt, der zur Validierung des Modells sowie für weitere, besonders wiederholgenaue empirische Untersuchungen entwickelt wurde. Unter Verwendung eines aktiven Magnetlagers ermöglicht dieser die Erfassung radial wirkender Kräfte, die mit denen des Modells verglichen werden können und nach einer geringen Modellanpassung sehr gute Übereinstimmung zeigen. Mit dem angepassten Modell werden anschließend die Kraft- und Verformungsverläufe des Lagers berechnet. Dabei wird der Einfluss verschiedener geometrischer Parameter wie des radialen Lagerspiels, rauer Oberflächen oder von Wellenfehlstellungen auf den zeitlichen Verlauf und die spektrale Zusammensetzung der Zielgrößen untersucht. Einzelne Simulationen werden mit am Prüfstand ermittelten Messdaten verglichen, wobei sowohl die Überein¬stimmungen simulierter und berechneter Daten als auch die Grenzen des Simulationsmodells identifiziert werden. In weiteren empirischen Untersuchungen werden zudem die akustischen Auswirkungen bestimmter Lagerschäden im runden sowie elliptisch verformten Zustand verglichen und mittels bewährter Methoden der Schwingungsdiagnose analysiert. Dabei kann gezeigt werden, wie Lagerschäden auch im elliptischen Zustand identifiziert werden können.

In the past, the forces and vibrations in rolling bearings have been researched intensely. However, the research was mainly focused on conventional applications such as shaft bearings, where the bearings are mounted in stiff body housings and, hence, a circular shape of the bearing rings can be assumed. In contrast to this assumption, bearings in strain wave gearings undergo a rotating elastic deformation, resulting in differing load distributions and vibration patterns. This thesis deals with the model-based and empirical analysis of the vibration excitation caused by these bearings. The focus lies on the forces and deformations within the bearings, as they lead to sound radiation of adjacent structures on the one hand and are relevant for the bearings’ quality testing via vibration diagnosis on the other. Recent applications of strain wave gearings in the automotive sector, which led to increased demands both of on the gearings’ acoustic behavior and their reliability, have been a main motivation for this thesis. After a review of the state of research in the field of vibration excitation caused by bearings, a new numerical model in the time domain is described. This model calculates the forces and displacements within elliptically deformed bearings by superposition of single radial loads. Also a high precision test bench is presented, which is used to record experimental data for the model’s validation. For this purpose, the test bench is equipped with a magnetic bearing, allowing the assessment of radial forces on the input shaft, which are compared with the calculated reset forces and show a very good accordance after a minor model adjustment. After its validation the model is used to analyze the mechanisms causing vibration excitation and for numerical studies, in which the effects of several geometric parameter variations on the forces and deformations in the time domain are examined. Such parameters are, for example, the radial clearance and faults on various bearing components. These can be distinctly identified by evaluating the envelope spectra of radial accelerations on the outer ring, which is confirmed by experimental data. In further experiments with circular and elliptical input shafts, a higher reliability of the vibration diagnosis was assessed with the elliptical deformation.