Der SKF Online-Berechnungsservice zur Bewertung der Lebensdauer von Lagern mit AVL EXCITE™ M

Wie versagen Lager?

Lagerausfälle zählen weiterhin zu den häufigsten Schadensursachen in Automobilgetrieben – insbesondere in E-Antriebseinheiten (EDUs), wo hohe Rotordrehzahlen und erhebliche Ausgangsbelastungen die Ermüdung beschleunigen. Der dominierende Langzeitschädigungsmechanismus ist die Wälzermüdung. Wiederholtes Überrollen der Kontaktzone erzeugt zyklische unteroberflächliche Schubspannungen, wodurch unterhalb der Oberfläche Mikrorisse initiiert werden. Diese Risse wachsen schrittweise, bis sie die Oberfläche erreichen und Grübchen (Pitting) entstehen. Gruppen solcher Grübchen entwickeln sich zu Abplatzungen (Spalling), was zu Materialverlust, Leistungsbeeinträchtigung und schließlich zum Ausfall führt.

Die tatsächliche Lagerlebensdauer wird durch Belastung, Geometrie, Schmierung, Verschmutzung sowie die Alterung des Schmierstoffs beeinflusst.

Wie können wir es voraussagen?

Das traditionelle Maß zur Lebensdauerbewertung ist die L₁₀-Lebensdauer – die Betriebsdauer, nach der unter definierten Bedingungen statistisch 10 % einer ausreichend großen Anzahl identischer Lager ausgefallen sind.

Nach ISO 281:2007 wird die L₁₀-Lebensdauer gemäß der Lundberg-Palmgren-Theorie berechnet und basiert ausschließlich auf der äquivalenten dynamischen Lagerbelastung und der Drehzahl:

L₁₀ = (C / P)ᵖ

wobei gilt:

C = dynamische Tragzahl (kN)

P = äquivalente dynamische Lagerbelastung (kN)

p = Lebensdauerexponent (3 für Kugellager, 10/3 für Rollenlager)

Dieser Ansatz ist zwar weit verbreitet und praktikabel, berücksichtigt jedoch weder die Schmierbedingungen, noch Verschmutzung oder die Ermüdungsgrenzbelastung des Werkstoffs.

SKF erweitert daher die Berechnung um eigene Lebensdauer-Modifikationsfaktoren [1]:

a₁ – Zuverlässigkeitsbeiwert

aₛₖₓ – SKF-Lebensdauerbeiwert, der Schmierungszustand, Verschmutzungsgrad sowie die Leistungsfähigkeit von SKF Explorer-Lagern berücksichtigt

Lₙₘ = a₁ · aₛₖ𝒻 · (C / P)ᵖ

Darüber hinaus entwickelte SKF das SKF Generalized Bearing Life Model (GBLM). Dieses Modell unterscheidet zwischen oberflächeninduzierten (1) und unteroberflächlichen (2) Ermüdungsausfällen (siehe Abbildung 1).

Die Bewertung der Oberflächenermüdung erfolgt mithilfe erweiterter tribologischer Modelle, während die unteroberflächliche Ermüdung auf einem klassischen Hertz’schen Wälzkontaktmodell basiert.

Das Modell berücksichtigt den Einfluss von:

• Schmierungszustand
• Verschmutzungsgrad
• Oberflächeneigenschaften der Laufbahnen

Diese Faktoren beeinflussen maßgeblich die Spannungsverteilung im Wälzkontakt.

Das SKF GBLM ist insbesondere für Lager mit speziellen Ausführungen verfügbar, beispielsweise für Hybridlager mit keramischen Wälzkörpern.

Lₙₘᴳᴹ = a₁ · [ 1 / L₁₀,surfᵐ + 1 / L₁₀,subᵐ ]⁻¹

SKF verfügt über jahrzehntelange Lebensdauerversuche zur Validierung dieser Berechnungsansätze. Diese Datenbasis kann heute genutzt werden, indem eine direkte Schnittstelle zu den Online-Berechnungsdiensten von SKF innerhalb der Bearing Lifetime Calculation App verwendet wird.

Bearing Lifetime Calculation App

Die Bearing Lifetime Calculation App in COMPOSE kann entweder über die AVL EXCITE™ M App Library oder direkt in COMPOSE unter EXCITE M Apps gestartet werden (siehe Abbildung 2).

Für die Nutzung des SKF Calculation Service sind folgende Voraussetzungen erforderlich:

• Ein gültiges SKF-Benutzerkonto (über „Validate Credentials“ wird die Verbindung hergestellt).
• Lager mit gültiger SKF-Bezeichnung.
• Simulationsergebnisse für die zu untersuchenden Lastfälle.

Die App fungiert als zentrale Schnittstelle: Sie sammelt Simulationsdaten aus EXCITE M, berücksichtigt benutzerdefinierte Parameter und führt Lebensdauerberechnungen entweder mit der FVA Workbench oder – mit der neuesten Erweiterung – über den SKF Calculation Service durch.

Ein beispielhafter Workflow für die Nutzung des SKF Service ist in Abbildung 3 dargestellt.

Auswahl von Lager und Berechnungsart

Beim Öffnen der App werden im Reiter Bearing Lifetime Calculation alle Rollenlager des Modells angezeigt. Die Benutzer wählen die Lager und die EXCITE M Fälle aus, die bewertet werden sollen. Für jedes markierte Lager wird eine Vorschau der Drehzahlen und Lastkomponenten angezeigt (über das Resultatsintervall gemittelt), um kritische Betriebspunkte zu identifizieren (siehe Abbildung 4).

Im Abschnitt Lifetime Calculation stehen zwei Berechnungsmodi zur Verfügung:

• Einzeln (Individual):
  Jeder Fall wird so behandelt, als würden seine Lasten und Drehzahlen zu 100 % der Lagerbetriebszeit auftreten. Für jeden Fall wird ein separates Lebensdauerergebnis generiert.
• Lastspektrum (kumuliert, Load Spectrum):
  Mehrere Betriebspunkte werden zu einem einzigen Lebensdauerergebnis kombiniert. Benutzer können Zeitanteile (Stunden, Prozentsätze oder Faktoren) zuweisen, um die reale Betriebsdauerverteilung abzubilden.

SKF Lagerkonfiguration

Im Reiter SKF Bearing Configuration (siehe Abbildung 5) können Benutzer folgende Angaben definieren:

• Geometrie: Wird aus dem aktiven EXCITE M Fall importiert (SKF-Bezeichnung erforderlich). Hier kann auch die Spielklasse angegeben werden.
• Schmierstoff: Rheologische und betriebliche Eigenschaften, entweder global für alle Lager oder individuell pro Lager.
• Lebensdauerparameter: Verschmutzungsgrad, Sauberkeitsrichtlinien sowie Lebensdaueranpassungsfaktoren.

Benutzer der SKF Product Select Tools werden mit diesen Eingaben bereits vertraut sein.

Berechnung und Ergebnisse

Nach der Auswahl der Lager, Fälle und Parameter genügt ein Klick auf Run. Die App verbindet sich über die SKF ESoD API (SKF Engineering Service on Demand) mit dem SKF Calculation Service und liefert die Ergebnisse innerhalb von Sekunden.

Die App gibt folgende Informationen im Reiter Bearing Lifetime Results aus (siehe Abbildung 6):

• ISO 281:2007 Nennlebensdauer (Stunden)
• SKF Rating Life (Stunden) – unter Verwendung der SKF Rating Life Methode oder des SKF GBLM, falls für das Lager erforderlich

Die Lebensdauerergebnisse für einzelne Fälle können auch direkt in AVL IMPRESS™ M eingesehen werden. Vorgehensweise:

1. Öffnen Sie den Data Browser und navigieren Sie zu: Project → Model → Case set → Case.
2. Wählen Sie in der Ergebnis-Hierarchie des ausgewählten Falls das relevante Lager aus.
3. Wurde eine Lebensdauerberechnung durchgeführt, erscheint unter Dynamics – Time Solution ein Ordner Lifetime Results.
4. Wählen Sie Summary aus den verfügbaren Ergebnisgrößen, um die Ergebnisse in einer Tabelle anzuzeigen.

SKF Lagerkatalog

Nutzen Sie den SKF-Katalog in den Lager-Geometrie-Editoren. Wählen Sie einfach als Quelle Bearing Catalogue | SKF aus. Anschließend können Sie entweder das Dropdown-Menü und die Suchfunktion verwenden oder den Bearing Catalogue Browser (siehe Abbildung 7).

Der Browser unterstützt die Filterung nach Randmaßen und kann Filter basierend auf der Geometrie der Lagerposition vorschlagen.

Mit diesem Update in der EXCITE M 2025 R2-Version steht Ihnen nun eine leistungsstarke und zuverlässige Möglichkeit zur Verfügung, die Lebensdauer von Lagern direkt im Arbeitsablauf zu bewerten.

Durch die Verbindung der Bearing Lifetime Calculation App mit dem SKF Calculation Service können Sie Ihre Simulationsergebnisse mit den validierten Lebensdauermodellen und der Expertise von SKF kombinieren. Dies gibt Ihnen die Sicherheit, dass Ihre Vorhersagen den realen Betriebsbedingungen entsprechen.

Mit dem direkten Zugriff auf den SKF Lagerkatalog in EXCITE M war es noch nie so einfach, SKF-Lager zu konfigurieren und ihre Betriebslebensdauer vorherzusagen.

Literatur

1. SKF Group, “Bearing rating life,” SKF Rolling Bearings – Principles of Bearing Selection. [Online]. Available: https://www.skf.com/group/products/rolling-bearings/principles-of-rolling-bearing-selection/bearing-selection-process/bearing-size/size-selection-based-on-rating-life/bearing-rating-life
2. SKF Group, Generalized Bearing Life Model (GBLM). Evolution Online, 2015. [Online]. Available: https://evolution.skf.com/wp-content/uploads/2015/09/SKF_Generalized_Bearing_Life_Model_EN_evo415.pdf