Kinematische Analyse von Spindellagern unter statischen und dynamischen Kräften

Eckel, Hans-Martin; Brecher, Christian; Jacobs, Georg

doi:HT030845030

Kinematische Analyse von Spindellagern unter statischen und dynamischen Kräften = Kinematic analysis of spindle bearings under static and dynamic forces

Eckel, Hans-Martin^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeHans-Martin Eckel

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-226-9

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2024,20

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Jacobs, Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07913
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/991821/files/991821.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Lagerkinematik (frei) ; Lagerlasten (frei) ; Spindellager (frei) ; Werkzeugmaschinenhauptspindel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In modernen Hauptspindeln erfährt die Lagerung eine starke Beanspruchung durch hohe Bearbeitungskräfte und Drehzahlen. Die rechnerische Auslegung der Spindellager hinsichtlich deren mechanischen und kinematischen Beanspruchungen zeigt die Belastungsgrenzen der Spindel an. Die Analyse der Kugelkinematik, mit den in der Praxis eingesetzten Methoden der quasistatischen Wälzlagerberechnung, ist noch immer mit hohen Unsicherheiten verbunden. Häufig begrenzt die berechnete Kinematik durch den sogenannten Kugelvor- und -nachlauf die spezifizierbare Belastung der Spindel und damit deren zulässige Leistungsfähigkeit. Beobachtungen aus der Praxis zeigen hingegen oftmals einen zuverlässigen Betrieb, auch bei rechnerisch unzulässigen Belastungen. Diese Forschungsarbeit analysiert daher experimentell und simulativ die Belastung von Spindellagern sowie die Kugelkinematik unter praxisrelevanten Lastparametern als Beitrag für eine verbesserte Auslegung der Lagerung. Zur ganzheitlichen Analyse der Belastung von Spindellagern werden verschiedene Messsysteme vorgestellt, mit denen die auf die Lagerung wirkende Belastung sowie die orbitale Bewegung der Kugeln und des Käfigs erfasst werden können. Das System zur Messung der orbitalen Kugelbewegung stellt eine zentrale Neuentwicklung dar. Dieses arbeitet nach dem Prinzip einer Lichtschranke im Durchlichtverfahren, bei dem die Kugeln die Lichtschranke schalten. Mehrere über dem Lagerumfang angeordnete Sensoren erlauben eine kontinuierliche Beobachtung der Kugelbewegung auch bei hohen Drehzahlen. Die gute Integrierbarkeit der Messsysteme erlaubt den Einsatz in Prüfständen und Hauptspindeln zur Messung unter praxisrelevanten Belastungen. Im methodischen Teil dieser Arbeit werden Berechnungsverfahren vorgestellt, die auf Basis der gemessenen Wellenverlagerung die Belastung in den Lagerstellen ermitteln. Hierzu wird die gemessene Wellenverlagerung über ein Spindelmodell mit elastischer Welle unter Berücksichtigung dynamischer Schwingformen auf die Lagerstelle projiziert. Die dabei entstehenden Belastungen in den Wälzkontakten der Lager werden mit den Methoden der quasistatischen Wälzlagerberechnung ermittelt. Diese Belastungen dienen als Eingangsgrößen für einen dynamischen Berechnungsansatz, der die Kinematik und Kinetik der Kugeln sowie die über den Schmierstoff übertragbaren Scherkräfte berücksichtigt. Somit kann die Berechnung variierender Kugelgeschwindigkeiten unter dem Einfluss radialer Belastungen und Momentenlasten erfolgen. Die Anwendung der Messsysteme und Berechnungsmethoden im experimentellen Teil zeigt die Entwicklung des Kugelvor- und -nachlaufs unter zahlreichen Belastungsparametern in Prüfständen und Hauptspindeln. Die gemessene Kugelgeschwindigkeit weist entgegen der Berechnungsansätze nach der quasistatischen Auslegung eine deutlich geringere Modulation auf, sodass auch der Kugelvor- und -nachlauf deutlich geringer ausfällt als vorhergesagt. Die entwickelte dynamische Methode beschreibt die Kugelgeschwindigkeit hingegen mit verbesserter Genauigkeit. Dynamische Belastungen zeigen sowohl im Prüfstand als auch in der Spindel während der Bearbeitung keinen signifikanten Einfluss auf die Ausbildung der Kugelgeschwindigkeiten.

In modern main spindles, the bearings are subjected to high loads due to high machining forces and speeds. The calculated design of the spindle bearings with regard to their mechanical and kinematic loads indicates the load limits of the spindle. The analysis of ball kinematics with the methods of quasi-static rolling bearing calculation used in practice is still associated with high uncertainties. The calculated kinematics often limits the specifiable load on the spindle and thus its permissible performance due to the so-called ball advance and retardation. Observations from practice, on the other hand, often show reliable operation, even with loads that are not permitted by the calculation. This research work therefore analyzes experimentally and simulatively the load on spindle bearings as well as the resulting ball kinematics under practical load parameters as a contribution to an improved bearing design. For a holistic analysis of the spindle bearing loads, various measuring systems are presented with which the load acting on the bearing and the orbital movement of the balls and the cage can be recorded. The system for measuring the orbital ball movement is a central new development. This system is based on the principle of a light barrier using the transmitted light method, in which the balls switch the light barrier. Several sensors arranged around the bearing circumference allow continuous monitoring of the ball movement even at high rotational speeds. The good integrability of the measuring systems enables them to be used in test benches and main spindles for measurement under practical loads. In the methodical part, calculation methods are presented that determine the load in the bearings based on the measured shaft displacement. For this purpose, the measured shaft displacement is projected onto the bearings using a spindle model with an elastic shaft, taking dynamic vibration modes into account. The resulting loads in the rolling contacts of the bearings are determined using the methods of quasi-static rolling bearing calculation. These loads serve as input variables for a dynamic calculation approach that considers the kinematics and kinetics of the balls as well as the shear forces that can be transmitted via the lubricant. This enables the calculation of varying ball speeds under the influence of radial and moment loads. The application of the measuring systems and calculation methods in the experimental part shows the development of the ball advance and retardation under numerous load parameters in test rigs and main spindles. Contrary to the calculation approaches according to the quasi-static design, the measured ball speed shows a significantly lower modulation, so that the ball advance and retardation are also significantly lower than predicted. The developed dynamic method, on the other hand, describes the ball speed with improved accuracy. Dynamic loads show no significant influence on the formation of ball speeds either in the test rig or in the spindle during machining.

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