Slip in radial cylindrical roller bearings and its influence on the formation of white etching cracks

Dawoud, Michael Elia Aziz

doi:10.21268/20230914-0

published

Slip in radial cylindrical roller bearings and its influence on the formation of white etching cracks

German
English

Ungünstige Betriebsbedingungen und unzureichende Radialkräfte führen zu Schlupf in Radial-Zylinderrollenlagern. Das kann zu verschiedenen Ausfallmechanismen, wie Anschmierung, Fressschäden, Abplatzen und auch sogenannten White Etching Cracks (WEC) führen, die bereits nach einem Bruchteil der berechneten Lagerlebensdauer auftreten können. In dieser Arbeit wird durch systematische Tests der Einfluss der Lagerbetriebsbedingungen (Radialkraft, Drehzahl und Öldurchfluss), sowie der Ausführung des Lagers (Lager- und Käfigtyp, Material, Führung und Toleranzklassen) auf die Entstehung des Wälzkörper- und Satzschlupfs untersucht. Die Wälzkörper vollrolliger Lager in der lastfreien Zone werden verzögert und sind in der Beschleunigungsphase einem vollständigen Rollenschlupf ausgesetzt. Für mit Käfig ausgestattete Zylinderrollenlager übertrifft der einteilige den zweiteiligen Käfig durch eine geringere Schlupfneigung, besonders unter begrenztem Öldurchfluss. Rollengeführte Käfige zwingen die Rollen dazu mit dem rotierenden Innenring zu interagieren, wodurch weniger Schlupf verursacht wird. Polyamid als Käfigwerkstoff bietet Gewichteinsparungen, wird aber bei hohen Lagertoleranzen nicht empfohlen, da es deformiert und somit einen höheren Schlupf bewirkt. Bei moderaten Lagertoleranzen tragen mehr Rollen zur Belastungsübertragung bei. Das kann zu höherem Rollenschlupf als bei hohen Toleranzen führen, da verringerte Traktionskräfte auf die Rollen wirken. Wird ein Lager jedoch durch eine enge Toleranzklasse (TC) vorgespannt, kann der Schlupf unter jeglichen Betriebsbedingungen verhindert werden. Der Einfluss von Schlupf auf die Bildung von WEC am Innen- und Außenring eines Zylinderrollenlagers wurde in insgesamt vier Dauerlaufversuchen mit einem zweiphasigen Belastungsschema untersucht. Während der Niedriglastphase wird das Lager bei erhöhtem Schlupf betrieben und danach einer hohen Lastphase ausgesetzt, während der Ermüdungsrissfortschritt von WEC auftreten kann. Es wurde festgestellt, dass Betriebsbedingungen mit hohem Schlupf weniger kritisch für die WEC-Bildung (an beiden Lagerringen) sind. Die sehr geringe Radialkraft, die in der Niedriglastphase aufgebracht wird, um einen hohen Schlupf zu ermöglichen, führt zu einer geringen Flächenpressung, die nicht WEC-kritisch ist. Ein weiterer Grund ist die längere Regenerationszeit zwischen zwei Überrollungen, die bei einem hohen Sollschlupf auftreten. Kritischer sind die dynamischen Kraftverhältnisse für die stehenden Lagerringe. Sie würden den Rollenschlupf unter der wechselnden Lastzonenbreite akkumulieren, was WEC-kritischer ist. Obwohl die vollrolligen Lager einen hohen Satzschlupf und 100%igen Rollenschlupf in der Lastzone erleiden, zeigten sie auch nach mehr als 3400 Teststunden, unter den für Käfiglager sehr kritischen Prüfbedingungen, keine Anzeichen eines WEC-Ausfalls.

Unfavorable operating conditions and inadequate radial force cause slip to occur in radial cylindrical roller bearings. This can also lead to several failure mechanisms such as smearing, scuffing, spalling, and White Etching cracks (WEC) that can occur at a small percentage of the calculated bearing life. In this work, through systematic testing, the influence of the bearing operating conditions (radial force, speed, and lubricant flow rate) as well as the bearing’s design (bearing type, cage type, material, guidance as well as the clearance class) on the development of the roller- and the rolling set slip was studied. The rollers of the full complement bearing stall in the load-free zone, and they suffer from a 100% roller slip at the acceleration zone. For caged bearings, a single-part cage outperforms the two-part cages by having lower slip tendency under restricted oil flow rates. Cages that are roller-guided force the rollers to interact more with the rotating inner ring and thus suffer from an overall lower slip. For the cage material, Polyamide cages offer weight savings. However they are not recommended under elaborated clearance as they would deform and cause high slip. Under moderate clearance, more rollers contribute to the load transfer. This leads to higher roller slip than under higher clearance level due to the decrease in traction forces acting on each roller. However, preloading a bearing by using the TC clearance class while using a tight fitting for both rings my lead to the elimination of the slip under any operating conditions. The influence of slip on the formation of WEC on the inner and outer rings of a cylindrical roller bearing was studied by conducting a total of four endurance tests using a two-phase loading scheme. In the low-load phase, a slip-rich environment is introduced to the bearing during which lubricant smearing can take place. After that, a high load phase is introduced to the bearing during which, fatigue crack propagation of WEC is enabled. It was found that high-slip operating conditions are less critical for the WEC formation on both bearing rings. The very low radial force that must be used in the low load phase to allow such a high slip to occur would result in a low contact pressure that is not WEC-critical. Another reason is the longer regeneration time between two overrollings occurring at a high set slip. Dynamic force conditions are more critical for the stationary bearing rings. They would accumulate the roller slip under the changing load zone width which is more WEC-critical. Although suffering from high set slip and 100% roller slip in the load zone, full complement bearings didn’t show any sign of WEC failure even after testing them for more than 3400 hours under very critical testing conditions for caged bearings.