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Lagerlebensdauer

Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Zur Bestimmung der erwarteten Lagerlebensdauer sind folgende Verfahren geeignet: 

  • Wenn die Betriebsbedingungen hinsichtlich Schmierung und Verunreinigung bekannt sind und gewiss ist, dass die Gegebenheiten keine wesentlichen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Lager haben, ist die Berechnung der nominellen Lebensdauer heranzuziehen. 
  • Für die meisten anderen Fälle empfiehlt SKF die Verwendung der erweiterten SKF Lebensdauer. 
  • Für Hybridlager sollte allerdings das SKF Generalized Bearing Life Model verwendet werden. 
Was bedeutet „Lebensdauer“ und welchen Zweck erfüllt diese Angabe?
Die Ermüdungslebensdauer eines einzelnen Lagers ergibt sich aus der Anzahl der Umdrehungen (oder, bei konstanter Drehzahl, der Anzahl der Betriebsstunden), bevor die ersten Anzeichen von Metallermüdung (Wälzkontaktermüdung oder Abplatzungen) an Ringen oder Wälzkörpern auftreten. Aus Labortests und der Praxis ist bekannt, dass die Ermüdungslebensdauer auch bei scheinbar identischen Lagern, die unter scheinbar identischen Bedingungen betrieben werden, beträchtlich schwanken kann.

Wenn Sie den ermüdungsbedingten Ausfall eines Lagers vor Ablauf der geplanten Anwendungsgebrauchsdauer vermeiden wollen, können Sie einen statistischen Ansatz zur Bestimmung der geeigneten Lagergröße heranziehen. Die Lebensdauer L10 ist die Ermüdungslebensdauer, die 90% einer ausreichend großen Gruppe scheinbar identischer Lager bei scheinbar identischen Bedingungen voraussichtlich mindestens erreichen.

Die Lebensdauer L10 ist ein bewährtes und effektives Instrument zur Bestimmung der Lagergröße, die erforderlich ist, um Ermüdungsausfälle zu vermeiden. Vergleichen Sie die berechnete Lebensdauer mit der Gebrauchsdauererwartungen der Lageranwendung. Sie können Ihre Erfahrungen aus früheren Entscheidungen nutzen oder die Richtlinien für die erforderliche Gebrauchsdauer verschiedener Lageranwendungen gemäß Tabelle 1 und Tabelle 2 heranziehen.
Nominelle Lebensdauer
Werden nur die Belastung und Drehzahl berücksichtigt, kann nominelle Lebensdauer verwendet werden: L10.

Die nominelle Lebensdauer eines Lagers nach DIN ISO 281:1990 ergibt sich aus

Basic rating life
Berechnung durchführen

Bei unveränderlicher Drehzahl ist es häufig angebracht, die nominelle Lebensdauer in Betriebsstunden zu rechnen

Basic rating life in hours

Hierin sind
L10Lebensdauer (bei 90 % Erlebenswahrscheinlichkeit) [Mio. Umdrehungen]
L10hNominelle Lebensdauer (bei 90 % Erlebenswahrscheinlichkeit)[Betriebsstunden]
Cdynamische Tragzahl [kN]
Päquivalente dynamische Lagerbelastung [kN]
nBetriebsdrehzahl [min-1]
pExponent der Lebensdauergleichung
= 3 für Kugellager
= 10/3 für Rollenlager


Erweiterte SKF Lebensdauer
Bei modernen Lagern hoher Qualität kann die errechnete nominelle Lebensdauer erheblich von der in einem Anwendungsfall tatsächlichen erreichten Gebrauchsdauer abweichen. Die Gebrauchsdauer einer Lagerung hängt von vielen Einflüssen ab. Neben der Belastung und der Lagergröße gehören die Schmierungsbedingungen, die Sauberkeit, die Betriebstemperaturen, eventuelle Fluchtungsfehler aber auch die Montagesorgfalt dazu.

ISO 281 basiert auf einem modifizierten Lebensdauerbeiwert zur Ergänzung der nominellen Lebensdauer. Der Lebensdauerbeiwert aSKF wendet das gleiche Konzept einer Ermüdungsgrenzbelastung Pu (→ Ermüdungsgrenzbelastung, Pu) an wie in ISO 281 beschrieben. Werte von Pu sind in den Produkttabellen angegeben. Um genau wie in ISO 281 drei der wichtigsten Betriebsbedingungen abzubilden, berücksichtigt der Lebensdauerbeiwert aSKF setzt die Schmierbedingungen (→ Schmierbedingungen – Viskositätsverhältnis, κ), die Belastung in Relation zur Ermüdungsgrenzbelastung, und einen Faktor ηc für die Verunreinigung (→ Verunreinigungsbeiwert ηc) unter Verwendung von

SKF rating life
Berechnung durchführen

Bei konstanter Drehzahl lässt sich die Lebensdauer (in Betriebsstunden) wie folgt bestimmen:

SKF rating life in hours

Hierin sind
LnmErweiterte SKF Lebensdauer (bei 100 – n1) % Zuverlässigkeit) [Mio. Umdrehungen]
LnmhErweiterte SKF Lebensdauer (bei 100 – n1) % Zuverlässigkeit) [Betriebsstunden]
L10Lebensdauer (bei 90 % Erlebenswahrscheinlichkeit) [Mio. Umdrehungen]
a1Lebensdauerbeiwert für die Überlebenswahrscheinlichkeit (Tabelle 3, Werte entsprechend ISO 281)
aSKFLebensdauerbeiwert
Cdynamische Tragzahl [kN]
Päquivalente dynamische Lagerbelastung [kN]
nBetriebsdrehzahl [min-1]
pExponent der Lebensdauergleichung
= 3 für Kugellager
= 10/3 für Rollenlager

1) Der Beiwert n gibt die Ausfallwahrscheinlichkeit an, d. h. die Differenz zwischen der erforderlichen Erlebenswahrscheinlichkeit und 100 %.

Für eine Zuverlässigkeit von 90 %:

Lnm = erweiterte SKF Lebensdauer (bei 100 – n1)% Zuverlässigkeit) [Mio. Umdrehungen]

Wird:

L10m = erweiterte SKF Lebensdauer [Mio. Umdrehungen]

Da sich der Lebensdauerbeiwert a1 auf die Ermüdung bezieht, ist er weniger relevant für die Belastungen P unterhalb der Ermüdungsgrenzbelastung Pu. Die Dimensionierung mit Lebensdauerbeiwerten, die eine sehr hohe Zuverlässigkeit (wie 99 %) darstellen, führt zu großen Lagern für bestimmte Belastungen. In diesen Fällen ist die Lagerbelastung gegen die Anforderungen an die Mindestbelastung für das Lager zu prüfen. Die Berechnung der Mindestbelastung ist in Erforderliche Mindestbelastungen beschrieben.

Um die Umrechnung der Lebensdauer in andere gängige Einheiten zu erleichtern, sind Umrechnungsfaktoren in Tabelle 4 angegeben.

SKF Generalized Bearing Life Model
Das SKF Generalized Bearing Life Model (GBLM) ermöglicht eine Vorhersage der Lagerlebensdauer bei Betriebsbedingungen, die nicht von anderen Lebensdauermodellen abgedeckt werden. SKF GBLM unterscheidet zwischen oberflächeninduzierten und tiefeninduzierten Schadensarten (Bild 1). Die Oberflächenermüdung wird mit komplexen Tribologiemodellen und die tiefeninduzierte Ermüdung mit einem klassischen Hertzschen Wälzkontaktmodell bewertet. Berücksichtigt werden dabei auch die Auswirkungen von Schmierstoff und Verunreinigung sowie die Laufbahnoberflächeneigenschaften, die Einfluss auf die Spannungsverteilung im Wälzkontakt haben.

Die allgemeine mathematische Darstellung zur Berechnung der Lebensdauer ist:

SKF GBLM

Hierin sind
LnGM Lebensdauer (bei 100 – n1) % Zuverlässigkeit) gemäß SKF GBLM [Mio. Umdrehungen]
a1Lebensdauerbeiwert für die Erlebenswahrscheinlichkeit (Tabelle 3, Werte nach ISO 281)
L10.surfOberflächenlebensdauer (bei 90% Zuverlässigkeit) gemäß SKF GBLM [Mio. Umdrehungen]
L10.sub
Tiefenflächenlebensdauer (bei 90% Zuverlässigkeit) gemäß SKF GBLM [Mio. Umdrehungen]
emathematische Konstante: ~ 2,718

SKF GBLM kann auf Hybridlager angewendet werden. Sie können SKF Bearing Select zur Berechnung der Lagerlebensdauer nach SKF GBLM verwenden.


1) Der Beiwert n gibt die Ausfallwahrscheinlichkeit an, d. h. die Differenz zwischen der erforderlichen Erlebenswahrscheinlichkeit und 100 %.
Berechnung der Lagerlebensdauer bei variablen Betriebsbedingungen

Es gibt eine Vielzahl von Lagerungen, z. B. die von Windkraftanlagen, Industrie- oder Fahrzeuggetrieben, bei denen die Belastung über die Zeit sowohl in der Größe als auch in der Richtung, die Drehzahl, die Betriebstemperatur und die Schmierbedingungen veränderlich sind. In Fällen mit veränderlichen Betriebsbedingungen sind deshalb die einzelnen Betriebsphasen auf eine begrenzte Anzahl von vereinfachten Lastfällen zu reduzieren (Diagramm 1).

Bei kontinuierlich veränderlichen Belastungen können verschiedene Belastungsstufen gebildet werden. Das Belastungsspektrum kann dann auf ein Histogramm mit Intervallen von konstanten Betriebsbedingungen reduziert werden. Hierbei repräsentiert jedes Intervall einen bestimmten Zeitanteil des Betriebes. Hohe und mittlere Belastungen „verbrauchen“ deutlich mehr Lagerlebensdauer als leichte Belastungen. Deshalb ist es wichtig, auch Spitzenbelastungen im Histogramm ausreichend zu berücksichtigen, selbst dann, wenn diese nur relativ selten auftreten und nur relativ kurz anhalten. 


Innerhalb eines jeden Intervalls werden für die Lagerbelastung und die übrigen Betriebsbedingungen repräsentative, konstante Mittelwerte festgelegt. Die Anzahl der Betriebsstunden oder Umdrehungen eines jeden Intervalls kennzeichnen deren Anteil am Gesamtlebenszyklus der Lagerung. Wenn also N1 der Anzahl der Umdrehungen während der Lastbedingung P1entspricht und N die erwartete Anzahl der Umdrehungen nach Ende aller variablen Belastungszyklen ist, wird der Lebenszyklusanteil U1 = N1/N für die Lastbedingung P1mit der berechneten Lebensdauer L10m1verwendet. Unter variablen Betriebsbedingungen kann die Lagerlebensdauer wie folgt berechnet werden:

Bearing life

Hierin sind:

L10mErweiterte SKF Lebensdauer (bei 90% Zuverlässigkeit) [Mio. Umdrehungen]
L10m1, L10m2, ...SKF Lebensdauer (bei 90% Zuverlässigkeit) bei konstanten Bedingungen 1, 2, ... [Millionen Umdrehungen]
U1, U2, ...Anteil am Gesamtlebensdauerzyklus unter den Betriebsbedingungen 1, 2 …
U1 + U2 + ... Un = 1


Die Verwendung dieses Berechnungsverfahrens eignet sich für Anwendungsbedingungen mit veränderlicher Belastung und veränderlicher Drehzahl mit bekannten Zeitanteilen.

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