Lukas Rüth

• In ihren Grundfunktionen gewährleisten Wälzlager eine geringe Reibung, fixieren die Bauteile in ihrer Position und übertragen Kräfte jeglicher Art und Richtung. Aufgrund der hohen Belastung der beteiligten Kontaktpartner ergeben sich hohe Anforderungen an die Reinheit des Materials, die Werkstofffestigkeit und die Oberflächenqualität. Die aktuell nach Norm verwendete Ermüdungslebensdauerberechnung setzt hohe Oberflächenqualitäten voraus, weshalb der Einfluss der Oberflächenmorphologie nicht umfassend berücksichtigt ist. In der Reduzierung der geforderten Oberflächenqualität findet sich ein großes Potential zur Minderung der Kosten. Hierzu ist jedoch eine vertiefte Kenntnis der oberflächennahen Beanspruchungszustände unabdingbar. Diese werden von den tribologischen Bedingungen beeinflusst und prägen sich bei größerer Reibung stärker an der Oberfläche aus. Dementsprechend steht im Fokus der vorliegenden Arbeit die Untersuchung des Einflusses der durch den Endbearbeitungsprozess erzeugten Oberflächenmorphologie auf die Wälzlagerlebensdauer unter Mischreibungsbedingungen. Dazu werden Wälzlagerinnenringe in drei verschiedenen Varianten (Feinschleifen, Grobschleifen und Hartdrehen) aus 100Cr6 (AISI 52100) gefertigt. Neben der experimentellen Bestimmung der Ermüdungslebensdauer werden die durch die Bearbeitung entstehenden Oberflächenmorphologien analysiert und die aus den verschiedenen Oberflächentopographien resultierenden Spannungen ermittelt, welche in der Lebensdauerberechnung berücksichtigt werden. Um die Oberflächenmorphologie zu charakterisieren, kommen Härteuntersuchungen zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften sowie röntgenographische Analysen zur Ermittlung der fertigungsbedingten Eigenspannungen zum Einsatz. Schließlich werden die Ergebnisse aus Ermüdungsversuchen, Oberflächencharakterisierung und Simulation zusammengeführt, um Lebensdauerfaktoren in Abhängigkeit von der Oberflächentopographie und den Eigenspannungen abzuleiten. Die ganzheitliche Betrachtung der Ermüdung mithilfe von Einzellager- und Kontaktmodell als auch lokalen Ermüdungsansätzen, welche die reale Oberflächenmorphologie einschließen, kann zu genaueren Resultaten führen, als dies mit der ISO/TS (International Organization for Standardization/Technical Specification) 16281 möglich ist. Die Oberflächentopographie sowie das Materialverhalten und dabei insbesondere die Eigenspannungszustände unterhalb der Oberfläche beeinflussen die Ermüdungslebensdauer ganz entscheidend. Diese Wechselwirkungen gilt es, bei der Auslegung zu berücksichtigen.
• In their basic functions, rolling bearings ensure low friction, fix components in position and transmit forces of all types and directions. Due to the high load on the contact partners involved, there are high demands on the purity of the material, the material strength and the surface quality. The fatigue life calculation currently used according to the standard assumes high surface qualities, which is why the influence of the surface morphology is not comprehensively taken into account. However, there is great potential for reducing costs by reducing the required surface quality. For this, however, an in-depth knowledge of the near-surface stress conditions is indispensable. These are influenced by the tribological conditions and are more pronounced at the surface in the case of higher friction. Accordingly, the focus of the present work is to investigate the influence of the surface morphology produced by the finishing process on rolling bearing life under mixed friction conditions. For this purpose, rolling bearing inner rings are manufactured from 100Cr6 (AISI 52100) in three different variants (fine grinding, rough grinding and hard turning). In addition to the experimental determination of the fatigue life, the surface morphologies resulting from the machining are analyzed and the stresses resulting from the different surface topographies are calculated, which are taken into account in the life calculation. In order to characterize the surface morphology, hardness tests are used to determine the mechanical properties, as well as radiographic analyses to evaluate the residual stresses due to manufacturing. Finally, the results from fatigue tests, surface characterization and simulation are combined to derive fatigue life factors depending on the surface topography and the residual stresses. The holistic consideration of fatigue using single bearing and contact models as well as local fatigue approaches, which include the real surface morphology, can lead to more accurate results than is possible with ISO/TS (International Organization for Standardization/Technical Specification) 16281. The surface topography as well as the material behavior, and in particular the residual stress states below the surface, have a significant influence on the fatigue life. These interactions must be taken into account in the design.