{"id":8534,"date":"2020-07-01T18:59:15","date_gmt":"2020-07-01T18:59:15","guid":{"rendered":"https:\/\/nanovea.com\/?p=8534"},"modified":"2023-11-13T22:17:09","modified_gmt":"2023-11-13T22:17:09","slug":"kugellager-verschleisfestigkeit-mit-makro-tribologie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/nanovea.com\/de\/ball-bearing-wear-resistance-using-macro-tribology\/","title":{"rendered":"Kugellager: Studie zur Verschlei\u00dffestigkeit bei hoher Krafteinwirkung"},"content":{"rendered":"


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EINF\u00dcHRUNG<\/strong><\/em><\/h2>\n

Ein Kugellager verwendet Kugeln, um die Rotationsreibung zu reduzieren und radiale und axiale Belastungen zu unterst\u00fctzen. Die rollenden Kugeln zwischen den Lagerringen erzeugen einen viel niedrigeren Reibungskoeffizienten (COF) im Vergleich zu zwei gegeneinander gleitenden flachen Oberfl\u00e4chen. Kugellager sind h\u00e4ufig hohen Kontaktspannungen, Verschlei\u00df und extremen Umweltbedingungen wie hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher ist die Verschlei\u00dffestigkeit der Kugeln unter hohen Belastungen und extremen Umgebungsbedingungen von entscheidender Bedeutung f\u00fcr die Verl\u00e4ngerung der Lebensdauer des Kugellagers, um Kosten und Zeit f\u00fcr Reparaturen und Austausch zu reduzieren.
\nKugellager sind in fast allen Anwendungen zu finden, in denen bewegliche Teile beteiligt sind. Sie werden h\u00e4ufig in der Transportindustrie wie der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbereich sowie in der Spielzeugindustrie eingesetzt, die Artikel wie Fidget Spinner und Skateboards herstellt.<\/p>\n

BEWERTUNG DES KUGELLAGERVERSCHLEISSES BEI HOHEN BELASTUNGEN<\/strong><\/em><\/h2>\n

Kugellager k\u00f6nnen aus einer umfangreichen Liste von Materialien hergestellt werden. Zu den h\u00e4ufig verwendeten Materialien geh\u00f6ren Metalle wie Edelstahl und Chromstahl oder Keramiken wie Wolframkarbid (WC) und Siliziumnitrid (Si3n4). Um sicherzustellen, dass die hergestellten Kugellager die erforderliche Verschlei\u00dffestigkeit aufweisen, die f\u00fcr die jeweiligen Einsatzbedingungen ideal ist, sind zuverl\u00e4ssige tribologische Untersuchungen unter hohen Belastungen erforderlich. Tribologische Tests helfen dabei, das Verschlei\u00dfverhalten verschiedener Kugellager auf kontrollierte und \u00fcberwachte Weise zu quantifizieren und gegen\u00fcberzustellen, um den besten Kandidaten f\u00fcr die Zielanwendung auszuw\u00e4hlen.<\/p>\n

MESSZIEL<\/strong><\/em><\/h2>\n

In dieser Studie stellen wir einen Nanovea vor Tribometer<\/a> als ideales Hilfsmittel zum Vergleich der Verschlei\u00dffestigkeit verschiedener Kugellager unter hoher Belastung.
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Abbildung 1: Aufbau des Lagertests.<\/em><\/h6>\n

PR\u00dcFVERFAHREN<\/strong><\/em><\/h2>\n

Der Reibungskoeffizient COF und die Verschlei\u00dffestigkeit der Kugellager aus verschiedenen Materialien wurden mit einem Nanovea-Tribometer bewertet. Als Gegenmaterial wurde Schleifpapier der K\u00f6rnung P100 verwendet. Die Verschlei\u00dfspuren der Kugellager wurden mittels a untersucht Nanovea<\/strong> 3D Non-Contact Profiler nach Abschluss der Verschlei\u00dftests. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Verschlei\u00dfrate, K<\/strong>wurde anhand der folgenden Formel bewertet K=V\/(F\u00d7s)<\/strong>, wobei V <\/strong>ist das abgenutzte Volumen, F<\/strong> ist die Normalbelastung und s<\/strong> ist die Gleitstrecke. Ballabnutzungsnarben wurden bewertet von a Nanovea<\/strong> 3D-Ber\u00fchrungsloser Profiler zur Gew\u00e4hrleistung einer pr\u00e4zisen Messung des Verschlei\u00dfvolumens.
\nDie automatisierte motorisierte radiale Positionierungsfunktion erm\u00f6glicht es dem Tribometer, den Radius der Verschlei\u00dfspur w\u00e4hrend der Dauer eines Tests zu verringern. Dieser Testmodus wird Spiraltest genannt und stellt sicher, dass das Kugellager immer auf einer neuen Oberfl\u00e4che des Schleifpapiers gleitet (Abbildung 2). Es verbessert die Wiederholbarkeit der Verschlei\u00dffestigkeitspr\u00fcfung der Kugel erheblich. Der fortschrittliche 20-Bit-Encoder f\u00fcr die interne Geschwindigkeitssteuerung und der 16-Bit-Encoder f\u00fcr die externe Positionssteuerung liefern pr\u00e4zise Echtzeit-Geschwindigkeits- und Positionsinformationen und erm\u00f6glichen eine kontinuierliche Anpassung der Drehzahl, um eine konstante lineare Gleitgeschwindigkeit am Kontakt zu erreichen.
\nBitte beachten Sie, dass in dieser Studie Schleifpapier der K\u00f6rnung P100 verwendet wurde, um das Verschlei\u00dfverhalten zwischen verschiedenen Kugelmaterialien zu vereinfachen, und dass es durch jede andere Materialoberfl\u00e4che ersetzt werden kann. Jedes feste Material kann ersetzt werden, um die Leistung einer Vielzahl von Materialkupplungen unter tats\u00e4chlichen Anwendungsbedingungen, beispielsweise in Fl\u00fcssigkeiten oder Schmiermitteln, zu simulieren.
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Abbildung 2: Darstellung der Spiraldurchg\u00e4nge f\u00fcr das Kugellager auf dem Schleifpapier.<\/em><\/h6>\n
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Tabelle 1: Pr\u00fcfparameter der Verschlei\u00dfmessungen.<\/em><\/h6>\n

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ERGEBNISSE & DISKUSSION<\/strong><\/em><\/h2>\n

Die Verschlei\u00dfrate ist ein entscheidender Faktor f\u00fcr die Lebensdauer des Kugellagers, w\u00e4hrend ein niedriger COF w\u00fcnschenswert ist, um die Leistung und Effizienz des Lagers zu verbessern. Abbildung 3 vergleicht die Entwicklung des COF f\u00fcr verschiedene Kugellager im Vergleich zum Sandpapier w\u00e4hrend der Tests. Die Cr-Stahlkugel weist w\u00e4hrend des Verschlei\u00dftests einen erh\u00f6hten COF von ~0,4 auf, verglichen mit ~0,32 und ~0,28 f\u00fcr SS440- und Al2O3-Kugellager. Andererseits weist die WC-Kugel w\u00e4hrend des gesamten Verschlei\u00dftests einen konstanten COF von ~0,2 auf. W\u00e4hrend jedes Tests sind beobachtbare COF-Schwankungen zu beobachten, die auf Vibrationen zur\u00fcckzuf\u00fchren sind, die durch die Gleitbewegung der Kugellager auf der rauen Sandpapieroberfl\u00e4che verursacht werden.<\/p>\n

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Abbildung 3: Entwicklung des COF w\u00e4hrend der Verschlei\u00dftests.<\/em><\/h6>\n

Abbildung 4 und Abbildung 5 vergleichen die Verschlei\u00dfspuren der Kugellager, nachdem sie mit einem optischen Mikroskop bzw. einem ber\u00fchrungslosen optischen Profilmessger\u00e4t von Nanovea gemessen wurden, und Tabelle 2 fasst die Ergebnisse der Verschlei\u00dfspuranalyse zusammen. Der Nanovea 3D-Profiler ermittelt pr\u00e4zise das Verschlei\u00dfvolumen der Kugellager und erm\u00f6glicht so die Berechnung und den Vergleich der Verschlei\u00dfraten verschiedener Kugellager. Es ist zu beobachten, dass die Cr-Stahl- und SS440-Kugeln nach den Verschlei\u00dftests im Vergleich zu den Keramikkugeln, also Al2O3 und WC, viel gr\u00f6\u00dfere abgeflachte Verschlei\u00dfnarben aufweisen. Die Kugeln aus Cr-Stahl und SS440 weisen vergleichbare Verschlei\u00dfraten von 3,7\u00d710-3 bzw. 3,2\u00d710-3 m3\/N\u00b7m auf. Im Vergleich dazu zeigt die Al2O3-Kugel eine erh\u00f6hte Verschlei\u00dffestigkeit mit einer Verschlei\u00dfrate von 7,2\u00d710-4 m3\/N\u00b7m. Die WC-Kugel weist im flachen Verschlei\u00dfbahnbereich kaum kleinere Kratzer auf, was zu einer deutlich reduzierten Verschlei\u00dfrate von 3,3\u00d710-6 mm3\/N\u00b7m f\u00fchrt.
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Abbildung 4: Verschlei\u00dfnarben der Kugellager nach den Tests.<\/i><\/h6>\n

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Abbildung 5: 3D-Morphologie der Verschlei\u00dfnarben an den Kugellagern.<\/em><\/h6>\n

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Tabelle 2: Verschlei\u00dfnarbenanalyse der Kugellager.<\/em><\/h6>\n

Abbildung 6 zeigt Mikroskopbilder der Verschlei\u00dfspuren, die durch die vier Kugellager auf dem Schleifpapier entstehen. Es ist offensichtlich, dass die WC-Kugel die st\u00e4rkste Verschlei\u00dfspur erzeugte (fast alle Sandpartikel auf ihrem Weg entfernte) und die beste Verschlei\u00dffestigkeit besitzt. Im Vergleich dazu hinterlie\u00dfen die Kugeln aus Cr-Stahl und SS440 eine gro\u00dfe Menge Metallabrieb auf der Verschlei\u00dfspur des Schleifpapiers.
\nDiese Beobachtungen verdeutlichen erneut die Bedeutung des Nutzens eines Spiraltests. Es stellt sicher, dass das Kugellager immer auf einer neuen Oberfl\u00e4che des Schleifpapiers gleitet, was die Wiederholbarkeit einer Verschlei\u00dffestigkeitspr\u00fcfung deutlich verbessert.
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Abbildung 6: Verschlei\u00dfspuren auf dem Schleifpapier an verschiedenen Kugellagern.<\/em><\/h6>\n

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SCHLUSSFOLGERUNG<\/strong><\/em><\/h2>\n

Die Verschlei\u00dffestigkeit der Kugellager unter hohem Druck spielt eine entscheidende Rolle f\u00fcr ihre Betriebsleistung. Die Keramikkugellager verf\u00fcgen \u00fcber eine deutlich verbesserte Verschlei\u00dffestigkeit unter hohen Belastungsbedingungen und reduzieren den Zeit- und Kostenaufwand f\u00fcr die Reparatur oder den Austausch von Lagern. In dieser Studie weist das WC-Kugellager im Vergleich zu Stahllagern eine wesentlich h\u00f6here Verschlei\u00dffestigkeit auf, was es zu einem idealen Kandidaten f\u00fcr Lageranwendungen macht, bei denen starker Verschlei\u00df auftritt.
\nEin Nanovea-Tribometer ist mit einem hohen Drehmoment f\u00fcr Lasten bis zu 2000 N und einem pr\u00e4zisen und kontrollierten Motor f\u00fcr Drehzahlen von 0,01 bis 15.000 U\/min ausgestattet. Es bietet wiederholbare Verschlei\u00df- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Hochtemperatur-Verschlei\u00df- und Schmiermodule in einem vorintegrierten System verf\u00fcgbar sind. Dieser un\u00fcbertroffene Bereich erm\u00f6glicht es Benutzern, verschiedene schwere Arbeitsumgebungen der Kugellager zu simulieren, einschlie\u00dflich hoher Beanspruchung, Verschlei\u00df und hoher Temperatur usw. Es fungiert auch als ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens hochwertiger verschlei\u00dffester Materialien unter hohen Belastungen.
\nEin ber\u00fchrungsloser 3D-Profiler von Nanovea liefert pr\u00e4zise Verschlei\u00dfvolumenmessungen und fungiert als Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschlei\u00dfspuren, was zus\u00e4tzliche Einblicke in das grundlegende Verst\u00e4ndnis der Verschlei\u00dfmechanismen liefert.<\/p>\n

Vorbereitet von
\nDuanjie Li, PhD, Jonathan Thomas und Pierre Leroux<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

INTRODUCTION A ball bearing uses balls to reduce rotational friction and support radial and axial loads. The rolling balls between the bearing races produce much lower coefficient of friction (COF) compared to two flat surfaces sliding against each other. Ball bearings are often exposed to high contact stress levels, wear and extreme environmental conditions such […]<\/p>\n","protected":false},"author":7,"featured_media":8608,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[7,349,372,373,336],"tags":[],"class_list":["post-8534","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-application-notes","category-laboratory-testing","category-linear-tribology","category-rotational-tribology","category-tribology-testing"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8534","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=8534"}],"version-history":[{"count":53,"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8534\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":23408,"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8534\/revisions\/23408"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/8608"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=8534"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=8534"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/nanovea.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=8534"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}