Details

Einführung
Ultrahochgeschwindigkeits-Lebensdauertestsystem für Wälzlager unter kombinierten Lasten  
In kritischen Systemen sind Lager oft der schwächste Einzelpunkt, der eine gesamte Maschine zum Stillstand bringen kann. Ein festgefressenes Lager in einem Flugtriebwerk, ein ausgefallenes Lager in einem Hochgeschwindigkeitsgetriebe oder ein thermisches Durchgehen in einem Turbolader können einen Missionsabbruch, einen ungeplanten Stillstand oder katastrophale Schäden verursachen. Dennoch wird die Lebensdauer von Lagern in vielen Programmen immer noch weitgehend anhand von Katalogdaten, Sicherheitsfaktoren und Annahmen vorhergesagt.

Der Hochgeschwindigkeits-Lagerlebensdauerprüfstand wurde entwickelt, um diese Annahmen zu beseitigen.

Dieser Prüfling ermöglicht es, die tatsächliche Belastung nachzubilden, der die Lager im Einsatz ausgesetzt sind—extreme Drehzahlen bis 70.000 U/min, kombinierte radiale und axiale Lasten, kontrollierte Schmierung und erhöhte Temperaturen—und anschließend in einer überwachten und instrumentierten Umgebung zu beobachten, wie sich das Lager tatsächlich verhält und ausfällt. Anstatt sich auf theoretische L10-Werte zu verlassen, erhält man belastbare Daten: wie sich das Drehmoment verändert, wann die Vibrationen steigen, wie sich die Temperatur erhöht und unter welcher Kombination aus Last, Drehzahl und Ölzustand das Lager sein Lebensende erreicht.

Für Organisationen in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsbereich, in der Automobilindustrie und in der modernen rotierenden Maschinentechnik ist dies kein „nettes Laborgerät“. Es ist ein Werkzeug zur Risikominimierung: Es validiert Konstruktionen, bevor sie in den Einsatz gehen, deckt schwache Lieferanten auf, reduziert Risiken bei neuen Schmierstoffen und Beschichtungen und liefert den Teams für Zertifizierung und Zuverlässigkeit Daten, die einer eingehenden Prüfung standhalten.

Funktionales Ziel & Testfähigkeit
Der Kernzweck dieses Prüfstands ist es, eine entscheidende Frage zu beantworten:  
„Wie verhalten sich Hochgeschwindigkeitslager über ihre Lebensdauer unter meinen spezifischen Betriebsbedingungen wirklich?“

Um diesen Zweck zu erfüllen, wurde der Prüfstand so konstruiert, dass er:
• Die Lebensdauer von Wälzlagern unter folgenden Bedingungen misst:
  ▹ Variabler radialer Last  
  ▹ Variabler axialer (Schub-) Last  
  ▹ Drehzahlen von niedrigen U/min bis ~70.000 U/min  
  ▹ Kontrolliertem Schmierstoffdurchfluss und -druck  
  ▹ Kontrollierter Öltemperatur, einschließlich Hochtemperaturtests  

• Wichtige Leistungskennwerte während des gesamten Tests aufzeichnet:
  ▹ Entwicklung von Drehmoment / Reibung  
  ▹ Drehzahl und Drehzahlstabilität  
  ▹ Radiale und axiale Last  
  ▹ Öldruck, Temperatur und Durchfluss  
  ▹ Vibrationsniveaus (über externen Analysatoreingang)  

• Realistische Testabläufe ermöglicht, beispielsweise:
  ▹ Dauerläufe mit konstanter Last und konstanter Drehzahl  
  ▹ Mehrstufige oder rampenförmige Lasten bei festen Drehzahlen  
  ▹ Temperaturbeschleunigte Lebensdauertests  
  ▹ Vergleichstests für Lager, Schmierstoffe oder Beschichtungen  
Das System ist für Langzeittests mit teilweise unbeaufsichtigtem Betrieb ausgelegt, mit ausreichenden Verriegelungen und Überwachung zum Schutz von Bediener und Ausrüstung.

Typische Anwendungen
Dieses System ist ideal für Organisationen, die Lager für anspruchsvolle Anwendungen qualifizieren, validieren oder vergleichen müssen:
• Wellenlager und Zubehörgetriebelager in Flugtriebwerken  
• Hochgeschwindigkeitsgetriebe und Turbomaschinen (Verteidigung, Luftfahrt, Industrie)  
• Turbolader, Kompressoren und Hochleistungsautomobillager  
• Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen mit Fokus auf Ermüdung, Schmierung und Ausfallmechanismen  
• Qualifikationslabore für neue Lagerkonstruktionen, Lieferanten oder Produktionschargen  
In vielen Programmen dient es als Qualifikations- und Typprüfstand, bevor Lager für kritische Systeme freigegeben werden.

Systemarchitektur – Übersicht
Der Hochgeschwindigkeits-Lagerlebensdauerprüfstand basiert auf einem leistungsstarken Antriebssystem, einem präzisen Hochgeschwindigkeitsgetriebe, einer Lagereinspannungsvorrichtung und unabhängigen Schmierölsystemen, die alle in ein PC-basiertes Steuerungs- und Datenerfassungssystem integriert sind.

Die Hauptbaugruppen sind:
• Hochleistungsantriebsmotor mit Vektorregelung  
• Zwei-stufiges, einläufiges Schrägverzahnungsgetriebe für 70.000 U/min  
• Lagereinspannvorrichtung mit Präzisionsspindel und Gehäuse  
• Radiallastapplikation über pneumatische Bälge und Kraftmessdose  
• Axiallastapplikation über kompakte pneumatische Zylinder und Kraftmessdosen  
• Schmierölversorgungseinheit für Lager mit Heizung und Durchflussregelung  
• Getriebe-Schmierölsystem  
• Instrumentierung & Datenerfassung für Drehmoment, Drehzahl, Lasten, Druck, Temperatur und Durchfluss  
• Gussrahmen für hohe Steifigkeit und Vibrationsdämpfung  
Jede Baugruppe ist robust, wartungsfreundlich und für den kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ausgelegt.

Antriebssystem & Hochgeschwindigkeitsgetriebe
Im Zentrum des Prüfstands befindet sich ein leistungsstarkes, drehzahlgeregeltes Antriebssystem, das die mechanischen Bedingungen für Lebensdauertests bereitstellt.

Antriebsmotor & Vektorregelung
Der Prüfstand nutzt einen 3-Phasen-AC-Motor der Klasse ~113 kW, kombiniert mit einem industriellen Vektorregelantrieb:
• Leistung: ca. 113 kW  
• Versorgung: 415 V, 3-phasig AC  
• Nenndrehzahl: ~2900 U/min, mit Möglichkeit bis ~5000 U/min  
• Encoder-Rückführung für geschlossene Drehzahlregelung  
• Konfigurierbare Beschleunigungs-/Verzögerungsrampen zur Minimierung mechanischer Belastungen  

Dieses Konzept stellt sicher, dass die Prüfdrehzahl präzise eingestellt, gehalten und begrenzt werden kann, wobei Drehmomentüberwachung und -begrenzung in die Antriebslogik integriert sind.

Hochgeschwindigkeitsgetriebe
Um Spindeldrehzahlen bis zu 70.000 U/min zu erreichen, treibt der Motor ein dediziertes Hochleistungsgetriebe an:
• Maximale Eingangsdrehzahl: 5000 U/min  
• Maximale Ausgangsdrehzahl: 70.000 U/min  
• Übersetzungsverhältnis: 14 : 1  
• Ausführung: zweistufig, einläufig schrägverzahnt, Parallelwellen  
• Konstruktionsstandard: AGMA 6011 I-03 (Hochgeschwindigkeitsgetriebe)  
• Lager: hydrodynamische Gleitlager mit Stahlkörper und Weißmetallbeschichtung  
Das Getriebe ist für den kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ausgelegt, mit Schwerpunkt auf niedrigen Vibrationen und hoher Zuverlässigkeit.

Kupplung & Drehmomentbegrenzung
Zwischen den rotierenden Komponenten:
• Eine drehmomentbegrenzende Sicherheitskupplung wird zwischen Motor und Getriebe installiert:
  ▹ Typischerweise so eingestellt, dass sie bei ca. 300 N·m rutscht, um Schäden bei plötzlichen Überlasten zu verhindern (z. B. Lagerfresser oder Wellenblockierung).  
• Hochgeschwindigkeitsflexkupplungen werden zwischen Getriebeausgang, Drehmomentsensor und Prüfspindel eingesetzt:
  ▹ Sicherer Betrieb bis 70.000 U/min  
  ▹ Kompensation kleiner Fluchtungsfehler und Reduktion übertragener Vibrationen  
Dieses Layout bietet sowohl mechanischen Schutz als auch Messintegrität bei hohen Drehzahlen.

Lagergehäuse, Spindel & Mechanische Struktur
Das zu prüfende Lager wird in einer speziellen Vorrichtung montiert, die korrekten Sitz, Ausrichtung und Krafteinleitung sicherstellt.

Gussbett & Basisrahmen
Die gesamte Baugruppe (Motor, Getriebe, Lagervorrichtung) ist auf einem Bett aus Gusseisen montiert:
• Hohe Biegesteifigkeit zur Sicherstellung der Wellenfluchtung unter Last  
• Hervorragende Vibrationsdämpfung durch die Materialeigenschaften von Gusseisen  
• Verringerte Übertragung von Antriebs- und Getriebeschwingungen auf Messkomponenten  
Dieses Design ist entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse und eine lange Lebensdauer der Komponenten.

Spindel & Lagergehäuse
Die Lagervorrichtung besteht aus:
• Einer präzisionsgeschliffenen Spindelwelle, die trägt:
  ▹ Das Prüflager  
  ▹ Unterstützende Lager und ggf. Scheiben  
• Anpassbaren Lagerscheiben und Distanzringen, passend zur Lagergeometrie (z. B. 20 × 47 × 14 mm oder kundenspezifisch)  
• Einem zweiteiligen Gehäuse:
  ▹ Das Unterteil stützt die Lagerscheiben und fixiert sie am Bett.  
  ▹ Das Oberteil nimmt radiale und axiale Kräfte der Lastmechanismen auf und überträgt sie auf das Prüflager.  
  ▹ Das Untergehäuse stützt die Lagerscheiben und fixiert sie auf dem Bett.  
▹ Das Obergehäuse nimmt radiale und axiale Kräfte aus den Lastmechanismen auf und überträgt sie auf das Prüflager.  
Das Gehäuse ist mit Schmierkanälen und Sensoranschlüssen ausgestattet, sodass das Öl präzise an den Lagerstellen zugeführt und überwacht werden kann.

Montage & Demontage
Um Schäden während Montage- und Demontagearbeiten zu vermeiden, wird eine spezielle Vorrichtung für das Einsetzen und Entfernen der Lager verwendet, die Folgendes sicherstellt:
• Korrekte Ausrichtung während der Installation  
• Kontrollierte Presskräfte  
• Effiziente Lagerwechsel zwischen den Tests  

Aufbringung radialer & axialer Lasten
Um realistische Betriebsbedingungen nachzubilden, bietet der Prüfstand eine unabhängige Steuerung radialer und axialer Lasten.

Radiale Belastung
Die radiale Last wird über einen pneumatischen Balg erzeugt:
• Druckluft wirkt auf den Balg und erzeugt eine kontrollierbare vertikale Kraft.  
• Diese Kraft wird über einen radialen Laststift auf das Obergehäuse übertragen, wodurch eine radiale Last auf das Prüflager wirkt.  
• Eine radiale Kraftmessdose im Kraftfluss misst die tatsächlich aufgebrachte Last.  

Wesentliche Merkmale:
• Radiallastkapazität: bis ca. 25 kN (≈2,5 Tonnen), abhängig von der Konfiguration  
• Sanfte Lastverstellung durch Änderung des Luftdrucks  
• Kontinuierliche Lastüberwachung über den Ausgang der Kraftmessdose und digitale Anzeige  

Axiale Belastung
Die axiale (Schub-) Last wird durch kompakte pneumatische Zylinder aufgebracht:
• Mehrere Zylinder sind so angeordnet, dass ihre kombinierte Kraft in reiner axialer Richtung auf die Lagerscheibe wirkt.  
• Eine oder mehrere axiale Kraftmessdosen messen die aufgebrachte Kraft präzise.  

Typische Fähigkeiten:
• Axiallastkapazität: bis ca. 2,5 kN, abhängig von Anzahl und Größe der Zylinder  
• Konfigurierbar für reine radiale, reine axiale oder kombinierte Lastfälle  

Pneumatische Steuerung
Das pneumatische System umfasst:
• Filter-Regler-Einheiten zur Sicherstellung sauberer, trockener Luft bei stabilem Druck  
• Elektro-pneumatische (E/P) Regler, die elektrische Steuersignale in präzise Druckniveaus für die radialen und axialen Aktuatoren umwandeln  
• Magnetventile (5/2 und 3/2, 24 V DC) zum Beaufschlagen oder Ablassen von Druck sowie zum Aus- oder Einfahren der Zylinder  
Dies ermöglicht klar definierte Lastprofile und sowohl manuelle als auch halbautomatische Laststeuerungsstrategien.

Schmierung & Thermisches Management
Schmierung und Temperaturregelung sind entscheidend für Lebensdauertests von Lagern, und der Prüfstand behandelt sie als prioritäre Regelgrößen.

Schmierölversorgungseinheit für Lager
Das Schmiersystem stellt Öl für das Prüflager und die Stützlager bereit, bei:
• Kontrolliertem Druck  
• Kontrolliertem Durchfluss  
• Kontrollierter Temperatur  

Wesentliche Merkmale:
• Öltank, Pumpe, Filterung und Rücklaufleitungen für Dauerbetrieb ausgelegt  
• Elektrischer Heizer, der die Öltemperatur von Umgebung (~35 °C) auf ca. 200 °C erhöhen kann  
• Proportionales Durchflussregelventil zur elektrischen Einstellung des Ölflusses  

Überwachte Parameter umfassen:
• Öldruck des Lagers (über Drucktransmitter, 4–20 mA)  
• Öltemperatur (über PT100-Temperatursensor + Transmitter, 4–20 mA)  
• Ölflussrate (in L/min), lokal angezeigt und über DAQ erfasst  
Dies ermöglicht Prüfbedingungen von niedrigem Durchfluss / hoher Temperatur für beschleunigte Tests bis zu gut geschmierten Dauerläufen bei moderaten Temperaturen.

Schmiersystem des Getriebes
Eine separate Getriebe-Schmierölversorgung wird verwendet, um:
• Öl an Zahnräder und Gleitlager mit erforderlichem Druck und Durchfluss zu liefern  
• Einen stabilen hydrodynamischen Ölfilm bei hohen Drehzahlen aufrechtzuerhalten  
• Getriebekomponenten vor Verschleiß und thermischer Schädigung zu schützen  
Das Betriebsverfahren stellt sicher, dass die Getriebeschmierung hergestellt und stabilisiert ist, bevor Hochgeschwindigkeitsbetrieb erlaubt wird.

Kühlung & Wärmeabfuhr
Je nach Standort können die Schmiersysteme angeschlossen werden an:
• Einen externen Kühler oder  
• Einen Kühlwasserkreislauf  
um die entstehende Wärme abzuführen und die gewünschte Öltemperatur bei langen Tests aufrechtzuerhalten.

Instrumentierung, Überwachung & Datenerfassung
Der Prüfstand ist umfassend instrumentiert, sodass jeder Test vollständig dokumentiert und nachvollziehbar ist.  
Gemessene Variablen

Typische Instrumentierung umfasst:
• Drehmoment: berührungsloser Drehmomentsensor (typisch 0–50 N·m)  
• Drehzahl: integriert im Drehmomentsensor oder separater Abgriff (bis ~80.000 U/min)  
• Radiallast: gemessen über eine radiale Kraftmessdose (bis ~25 kN)  
• Axiallast: gemessen über axiale Kraftmessdosen (bis ~2,5 kN total, je nach Konfiguration)  
• Öldruck (bar): für Lagerschmierung und optional Getriebeschmierung  
• Öltemperatur (°C): Lagereinlauftemperatur (optional auch Auslauf), Getriebetemperatur  
• Durchflussrate (L/min): Lager-Schmierölfluss  
• Digitale Statussignale: Pumpe EIN/AUS, Heizer EIN/AUS, Füllstandsschalter, Endschalter, Not-Aus und Verriegelungen  

Lokale Anzeigen
Auf der Frontplatte/Bedienkonsole bieten digitale Anzeigen:
• Echtzeitdarstellung von Drehmoment, Drehzahl, Radial- und Axiallast  
• Anzeige von Öldruck, Temperatur und Durchfluss  
• Konfigurierbare Alarmgrenzen, die eine örtliche Abschaltlogik bei unsicheren Werten ermöglichen  

PC-basierte Datenerfassung
Ein PC oder Industrie-PC mit spezieller DAQ-Hardware:
• Erfasst analoge und digitale Signale aller Sensoren und Transmitter  
• Zeigt Echtzeitwerte und Trends auf dem HMI an  
• Speichert alle relevanten Daten mit Zeitstempeln und Testkennungen  

Dies erzeugt ein vollständiges digitales Protokoll jedes Tests und unterstützt:
• Statistische Lebensdauerauswertung  
• Fehleranalysen  
• Lieferantenvergleiche  
• Berichterstattung an interne und externe Stellen  

Technische Spezifikationen (Typisch)
Die folgende Tabelle fasst die typischen technischen Spezifikationen des Hochgeschwindigkeits-Lagerlebensdauerprüfstands zusammen. Werte können an Kundenanforderungen angepasst werden; die Tabelle zeigt eine repräsentative Konfiguration.

  

    

      
Parameter
      
Spezifikation (typisch)
    

    

      
Anwendung
      
Dauer- und Leistungstests für Hochgeschwindigkeits-Wälzlager
    

    

      
Drehzahlbereich des Prüflagers
      
0 bis 70.000 U/min (stufenlos regelbar)
    

    

      
Leistung des Antriebsmotors
      
~113 kW, 3-Phasen-AC, 415 V
    

    

      
Nenndrehzahl des Motors
      
~2900 U/min (bis ca. 5000 U/min)
    

    

      
Drehzahlregelung
      
Vektorregelantrieb mit Encoder-Rückführung
    

    

      
Getriebetyp
      
Zweistufig, einläufig schrägverzahnt, Parallelwellen
    

    

      
Getriebeübersetzung
      
Ca. 14 : 1
    

    

      
Max. Getriebeeingangsdrehzahl
      
5000 U/min
    

    

      
Max. Getriebeausgangsdrehzahl
      
70.000 U/min
    

    

      
Getriebe-Designstandard
      
AGMA 6011 I-03
    

    

      
Getriebelager
      
Hydrodynamische Gleitlager mit Stahlkörper & Weißmetallauskleidung
    

    

      
Radiallastkapazität
      
Bis ~25 kN (≈2,5 Tonnen), über Pneumatikbalg + Kraftmessdose
    

    

      
Axiallastkapazität
      
Bis ~2,5 kN, über kompakte Pneumatikzylinder + Kraftmessdosen
    

    

      
Aktuierung der Radiallast
      
Pneumatischer Einfachbalg mit E/P-Regler
    

    

      
Aktuierung der Axiallast
      
Mehrere kompakte Pneumatikzylinder mit E/P-Regler
    

    

      
Öltemperatur für Lagerschmierung
      
Ca. 35 °C bis 200 °C (einstellbar)
    

    

      
Schmierölfluss für Lager
      
Einstellbar über ein proportionales Durchflussregelventil (L/min nach Angabe)
    

    

      
Getriebeschmierung
      
Separate Aggregatstation mit Pumpe, Filterung und Kühlung
    

    

      
Drehmomentmessbereich
      
Ca. 0–50 N·m, berührungsloser Drehmomentsensor
    

    

      
Drehzahlmessbereich
      
0–80.000 U/min (Sensorkapazität)
    

    

      
Gemessene Variablen
      
Drehmoment, Drehzahl, Radiallast, Axiallast, Öldruck, Öltemperatur, Durchfluss
    

    

      
Basisstruktur
      
Gusseisenbett für hohe Steifigkeit und Vibrationsdämpfung
    

    

      
Datenerfassung
      
PC/IPC-basiertes DAQ-System mit analogen und digitalen Mehrkanaleingängen
    

    

      
Datenaufzeichnung
      
Kontinuierliche Aufzeichnung mit Zeitstempel und Testidentifikation
    

    

      
Stromversorgung (Hauptversorgung)
      
415 V, 3-Phasen für Antrieb & Pumpen
    

    

      
Hilfsenergie
      
230 V AC, einphasig, für Steuerungen, Hilfssysteme und Anzeigen
    

    

      
Pneumatikversorgung
      
Saubere, trockene Druckluft (Druck gemäß Aktuatoranforderungen)
    

  


Sicherheits- & Betriebsphilosophie
Aufgrund der hohen Drehzahlen und der gespeicherten Energie ist der Prüfstand mit einem mehrstufigen Sicherheitskonzept ausgelegt:
• Mechanische Schutzverkleidungen um alle rotierenden und beweglichen Teile  
• Not-Halt-Schaltungen:
  ▹ Antriebs-Not-Halt zum Abschalten der Motorleistung und zum Abbremsen des Systems  
  ▹ System-Not-Halt zum sicheren Abschalten der Schmier- und Hilfssysteme bei Bedarf  

• Verriegelungen, die den Teststart verhindern, wenn:
  ▹ Schmierdruck oder -durchfluss unzureichend sind  
  ▹ Öltemperaturen außerhalb der zulässigen Bereiche liegen  
  ▹ Pneumatikdruck für die Lastaufbringung nicht verfügbar ist  
  ▹ Ein kritischer Alarm aktiv ist  

Betriebsabläufe erfordern:
• Starten und Stabilisieren der Schmiersysteme vor dem Aufbringen von Drehzahl/Last  
• Einhaltung definierter Aufwärmzeiten  
• Vermeidung jeglicher manuellen Eingriffe während des Betriebs oder bei rotierenden Komponenten  
Das Grundprinzip lautet: Kein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist zulässig, solange Schmierung, Lastaufbringung und Sicherheitsbedingungen nicht eindeutig als einwandfrei bestätigt sind.

Wesentliche Vorteile
Aus Anwendersicht bietet der Hochgeschwindigkeits-Lagerlebensdauerprüfstand folgende Vorteile:
• Realistische, hochgenaue Lebensdauerdaten unter kombinierten Bedingungen aus Drehzahl, Last und Temperatur  
• Hohe Wiederholgenauigkeit durch eine steife mechanische Struktur und präzise Schmier- und Lastregelung  
• Tiefgehende Einblicke in das Lagerverhalten, was bessere Konstruktionsentscheidungen und Lieferantenbewertung ermöglicht  
• Umfassende digitale Datensätze zur Unterstützung von Qualifikation, Zertifizierung und Fehlersuche  
• Flexibilität zur Anpassung an unterschiedliche Lagergrößen, Lastniveaus und Testkonzepte