Äußerst geräuscharme Wälzlager, äußerst effizientes Design: Partnerschaft mit Kunden für NVH

Sachverstand

Äußerst geräuscharme Wälzlager, äußerst effizientes Design: Partnerschaft mit Kunden für NVH

Victor Li, Leiter Fachingenieur für NVH-Technik

Wir alle wissen es: Ein geräuscharmes Wälzlager ist ein Qualitätswälzlager. Je höher die Passgenauigkeit eines Lagers in seinem Gehäuse und je höher seine Laufruhe, desto besser sind die Chancen für eine lange Lagerlebensdauer.

In den vergangenen zehn Jahren haben Erstausrüster (OEMs) ihre Spezifikationen für Wälzlager in allgemeinen Industrieanwendungen in zunehmendem Maße um schalltechnische Vorgaben erweitert.

„In vielen Fällen zeigen sich Kunden besorgt über geräuscherzeugende Schwingungen, die zu Leistungseinbußen für das Gesamtsystem führen könnten“, sagt Victor Li, Leitender Fachingenieur für NVH-Technik bei Timken. In anderen Fällen gewinnen neue behördliche Vorschriften an Bedeutung, die zum Schutz des Gehörs des Bedienpersonals von Schwermaschinen oder zur Reduzierung der Lärmbelastung in Wohngebieten erlassen wurden.

Um den strikten NVH (Noise-Vibrations-Harshness)-Anforderungen für Geräusche, Schwingungen und Rauheit gerecht zu werden und gleichzeitig die Lebenszykluskosten von Wälzlagern zu reduzieren, tätigt Timken auch weiterhin beträchtliche Investitionen in die Forschung und Entwicklung (F&E) in diesem Bereich. Als Li im Jahr 2012 bei Timken einstieg, beschäftigte er sich zunächst mit Software-Tools, die von Timken Ingenieuren in der frühen Entwurfsphase zur Simulation von Geräuschen und Schwingungen verwendet werden konnten – mit dem Ziel, den Entwicklungsprozess von Lagern mit niedriger NVH-Belastung effizienter und präziser zu gestalten.

Entwicklung der Timken NVH-Simulationssoftware

Ein geräuscharmes Wälzlager ist ein Qualitätswälzlager – aber was genau ist der Unterschied zwischen einem Lager, das Schwingungen aufweist und Geräusche verursacht und einem Lager, das dies nicht tut? Praveen Pauskar, Gruppenleiter und Technologe bei Timken, erklärt es so: „Wenn Sie genauer hinsehen als dies mit bloßem Auge möglich ist, werden Sie schnell feststellen, dass es so etwas wie eine absolut flache oder glatte Oberfläche überhaupt nicht gibt. Während des Fertigungsprozesses ist alles mit einer gewissen Schwankungsbreite behaftet”.

„Es gibt immer Wellenbewegung, Oberflächenwelligkeit und auch ein gewisses Maß an Oberflächenrauheit“, sagt er. „Timken Ingenieure können das Ausmaß der Wellenbewegung oder Rauheit zwar kontrollieren, aber generell gilt, dass höhere Präzision auch mit höheren Fertigungskosten verbunden ist.“

Die Herausforderung besteht also darin, Wälzlager zu entwickeln, die die Leistungsvorgaben unter Einhaltung akzeptabler Fertigungsparameter erfüllen. Ohne Simulationssoftware müssen Ingenieure in einer iterativen Vorgehensweise Wälzlager entwerfen, Teile fertigen, diese auf dem Prüfstand testen und die NVH-Belastung bestimmen.

Nach einigen anfänglichen Kundenstudien begann Li mit der Messung von Geräuschen und Schwingungen in einem Schallprüflabor. Die erhaltenen Daten wurden als Eingangsdaten bei der Entwicklung von Modelliersoftware verwendet, mit der Konstrukteure den “Sweetspot” des NVH-Verhaltens schneller und genauer finden konnten. Er begann mit einem dynamischen, zeitbereichbasierten Modelliertool, das zwar gute Ergebnisse lieferte, aber manchmal zwei Tage für eine einzige Simulation benötigte.

Um die Analyse zu beschleunigen, entwickelte Li ein frequenzbereichbasiertes Modell – jetzt als Timkens Virtual Sound Test System (VSTS) bekannt.

Kürzere Vorlaufzeiten. Hochwertige Wälzlager höherer Genauigkeit.

Im Anschluss an eine einjährige erfolgreiche Probezeit wurde VSTS erstmals mit Kunden verwendet. Der erste Kunde war ein Hersteller, dessen Designteam strikte Vorgaben für jede einzelne Lagerkomponente angefordert hatte – von den Innen- und Außenringen bis hin zu den einzelnen Rollkörpern.

Vertriebs- und Kunden-Engineering-Teams von Timken arbeiteten mit der F&E-Abteilung zusammen, um VSTS-Simulationen für die vom Kunden entwickelten Szenarien vorzunehmen. Die resultierenden Daten wurden als Beweis dafür vorgelegt, dass das von Timken vorgeschlagene alternative Wälzlager die gleiche oder eine bessere Leistung zeigen würde als das vom Kunden angeforderte Lager.

Vorhersage des NVH-Verhaltens auf Systemebene

Als simultanes Engineering-Tool ermöglicht VSTS Timken Ingenieuren, bereits in der frühesten Phase der Produktentwicklung mit OEM-Konstrukteuren zusammenzuarbeiten. „Wir können alle Konstruktionsmerkmale eines Wälzlagers simulieren“, sagt Li, „und es mit unterschiedlichen Drehzahlen oder unter unterschiedlichen Lastzuständen laufen lassen. Wir können die Laufeigenschaften der Innen- und Außenringe und die typischen Arbeitsbedingungen des Anwendungsfalls simulieren.“

Wenn Sie alle Eingangsdaten für das VSTS kombinieren, können Sie die Geräusche und Schwingungen für das Gesamtsystem simulieren, und nicht nur für ein einzelnes Lager. Die Vorhersage des NVH-Verhaltens auf Systemebene erleichtert die Zusammenarbeit mit OEM-Konstrukteuren, die normalerweise nicht alle Konstruktionsdetails ihres Anwendungsfalls mitteilen, wenn sie Wälzlager anfordern.

„Der erste Schritt ist immer die Validierung des VSTS-Modells für den Kunden“, sagt Li, „um ihm zu zeigen, wie gut die Simulation der Realität entspricht.“ Dazu erzeugt er eine kleine Vertiefung auf einer Laufringfläche oder einem Rollkörper. Anschließend bestimmt er die Vertiefung im Messlabor und verwendet das Messergebnis als Eingangswert für das Modell, das die Schwingung vorhersagt. Letztlich verwendet er dann die moderne Schallprüfausrüstung in den F&E-Labors, um die VSTS-Ergebnisse zu validieren.

Partnerschaft mit Kunden zur Lösung der NVH-Belastung

Timkens neueste Schallprüfausrüstung ermöglicht die Prüfung von Kegelrollen-, Zylinderrollen-, Pendelrollen- und Kugellagern mit Außendurchmessern bis zu 60,96 cm (24 Zoll). „Zurzeit entwickeln wir eine Suite von erweiterten NVH-Tools“, sagt Ryan Evans, Direktor für Forschung und Entwicklung bei Timken.

„Die NVH-Diagnoseausrüstung verhält sich wie ein EKG für Maschinen“, sagt er. Li kann damit Geräusche vor Ort oder über eine Audioaufzeichnung analysieren, um das NVH-Verhalten zu bestimmen und den Entstehungsort des Geräusches zu lokalisieren. „Mithilfe von Victors Expertise und diesen Tools kann Timken seinen Kunden eine einmalige Möglichkeit zum Umgang mit NVH-Problemen anbieten, ganz gleich, ob diese durch Lager verursacht werden oder nicht“, sagt Evans.

„Als Mitarbeiter von Timken liegt es in unserem Interesse, Kunden vor Ort mit Schallanalyse und in ihrem Büro mit VSTS-Simulation zur Seite zu stehen“, sagt er. „Wir decken den gesamten Bereich ab.“ Während das NVH-Verhalten an Bedeutung für den Kunden zunimmt, ist Timken um Partnerschaften bemüht, um die Herausforderungen für alle Industriebranchen, die wir bedienen, gemeinsam zu bewältigen.