Das Tätigkeitsfeld der Sonderprüfstände am IME platziert sich strategisch in der Lücke zwischen einfachen Standardprüfständen und hochkomplexen Gesamtsystemprüfständen. Mit unserer Erfahrung und dem uns zur Verfügung stehenden Umfeld können wir gezielte Prüfstandslösungen zu grundlegenden Entwicklungsfragen mit hohem Neuheitsgrad bereitstellen.

Strategische Platzierung der IME Sonderprüfstände, © TU Graz/IME

In Abhängigkeit der jeweiligen Entwicklungsfragestellung werden Untersuchungen an einzelnen Komponenten oder auch Teilsystemen vorgenommen. Der Detaillierungsgrad der Umgebungseinflüsse (Belastung, Schmierung, Temperatur, etc.) wird je nach Anforderung an das jeweilige Projekt angepasst. 

Unsere Kompetenzen beinhalten sowohl die Konzeption, Konstruktion, Inbetriebnahme und das Betreiben des Prüfstands, als auch die Datenverarbeitung und Analyse der angefallenen Messergebnisse.

So sind von kurzen Einzelkomponententests unter stationären Bedingungen, bis hin zu Subsystemtests mit Parametervariation in hochtransienten Dauerlaufzyklen, alle Möglichkeiten offen.

Im Folgenden wird eine Auswahl an derzeit bestehenden Sonderprüfständen präsentiert.

Hochdrehzahl-Wälzlagerprüfstand

Der Prüfstand dient zur experimentellen Untersuchung von Wälzlagern unter definierten Betriebsbedingungen. Er wurde speziell für Hochdrehzahlversuche, unterschiedliche Schmierkonzepte sowie kombinierte Lastzustände entwickelt. Durch den modularen Aufbau können verschiedene Lagerbauarten, Schmierstoffe und Belastungsszenarien realitätsnah getestet werden.

© TU Graz/IME

Hintergrund

Wälzlager sind zentrale Maschinenelemente und beeinflussen maßgeblich die Lebensdauer, Effizienz und Betriebssicherheit technischer Systeme. Besonders bei hohen Drehzahlen oder komplexen Lastzuständen bestimmen Schmierung, Temperaturentwicklung und Kraftverhältnisse das Lagerverhalten.

Der Prüfstand ermöglicht es, diese Zusammenhänge unter kontrollierten Bedingungen systematisch zu analysieren. Der Lagerprüfstand ist modular aufgebaut und erlaubt die gezielte Variation zentraler Betriebsparameter wie Drehzahl, Schmierungszustand, axiale und radiale Belastung, sowie der Umgebungstemperatur.

Konzept und Fähigkeiten

  • Antrieb über Motorspindeln (bis 36.000 U/min)
  • Schmierungskonzepte
    • Fettgeschmierte Lager
    • Ölgeschmierte Lager mit Öleinspritzschmierung oder Ölsumpf 
  • Ölkonditionierung: 10 °C bis 90 °C
  • Gehäusekonditionierung: 0 °C bis 100 °C
  • Zwei getrennte Aufbauten (können simultan oder einzeln betrieben werden)
    • 4-Lager-Aufbau: Kombinierte Axial- und Radialkraft
      • Axialkraft (statisch mittels Tellerfedern)
      • Dynamische Radialkraft (pneumatisch bis 18 kN)
    • 2-Lager-Aufbau: Axialkraft
      • Dynamische Axialkraft (pneumatisch bis zu 1,4 kN)
      • Umlaufende Radialkraft (Unwucht)

Untersuchungen

  • Hochdrehzahluntersuchungen von Wälzlagern
  • Vergleich unterschiedlicher Schmierstoffe
  • Analyse des thermischen Lagerverhaltens
  • Untersuchungen bei axialer und radialer Belastung
  • Isolierte Validierung von Lager- und Schmierkonzepten
  • Nachbildung von potentiellen Schadensmechanismen
Reibleistung eines ölgeschmierten Wälzlagers während dem WLTC, © TU Graz/IME
Kameraaufnahme (60x Zeitraffer) während einem WLTC, © TU Graz/IME

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Prüfstand für Kühl- und Schmierkonzepte in E-Maschinen

Um frühe, belastbare Ergebnisse zu gewinnen, abstrahieren wir das Gesamtsystem und untersuchen ein repräsentatives Teilsystem auf einem eigens konzipierten Prüfstand. So identifizieren wir Schwachstellen und optimieren das Beölungs- und Kühlsystem, bevor kostenintensive Gesamttests starten.

© TU Graz/IME

Hintergrund

  • Kühlung und Schmierung sind entscheidend für Lebensdauer, Effizienz und vor allem Leistungsfähigkeit moderner E Maschinen.
  • Kritische Punkte: Wicklungsköpfe des Stators, Rotorblechpaket (Temperatur der Permanentmagnete), Rotorlager und Radialwellendichtringe (RWDR).
  • CFD-Simulationen liefern wertvolle Hinweise, die reale Zweiphasenströmung (Öl/Luft) und Komponentenschädigung erfordern jedoch Versuchsdaten zur Validierung. 

Konzept und Fähigkeiten

  • Modularer Aufbau, inkl. originalgetreuer Nachbildung von Gehäuse- und Bauteilgeometrien sowie die Art der Ölzufuhr.
  • Antrieb über Motorspindeln (bis 36.000 U/min)
  • Konditionierungssystem für Öl:
    • Variable Volumenströme
    • Temperatur: 10 °C bis 70 °C
    • Kontinuierliche sowie intermittierende Beölung
  • Ermittlung der Ölverteilung durch Volumenstrommessung an fünf Positionen

Untersuchungen

  • Verteilung der Ölvolumenströme im Motor und deren Einfluss auf Wärmeabfuhr und Temperaturen
  • Schmierstoffversorgung und Belastung von Wälzlagern und RWDR
  • Einflüsse von Randbedingungen (Drehzahl, Öltemperatur, Beölungsmengen, Geometrie) auf Strömungs- und Kühlperformance

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Komponentenprüfstand für Radial-Wellendichtringe (RWDR)

Der Prüfstand ist darauf ausgelegt, spezifische Betriebsbedingungen effizient und gezielt nachzubilden, die in übergeordneten Systemumgebungen wie elektrischen Antriebssträngen nur mit hohem Aufwand isoliert darstellbar sind.

© TU Graz/IME

Konzept und Fähigkeiten

Um reale Einsatzbedingungen präzise abzubilden, können am Prüfstand folgende Parameter systematisch variiert werden:

  • Drehzahl: 0 bis 24.000 U/min (sowohl als Stationärpunkte als auch in Form definierter Drehzahlprofile)
  • Druck: Umsetzung von Druckdifferenzen im Bereich von ± 500 mbar
  • Lageabweichungen: 
    • Einstellung definierter Winkelfehler im Bereich von 1/100°
    • Reproduzierbare Umsetzung von Koaxialitätsfehlern im Bereich von 1/100 mm
  • Schmierung: Einstellbare und quantifizierbare Tropfbeölung
  • Temperatur: Thermische Konditionierung der Prüfumgebung
  • Prüfkörper: Variabilität von Maß, Werkstoff und Oberflächenbeschaffenheit durch austauschbare Wellen und Dichtringe

Untersuchungen

Der Prüfstand ermöglicht eine detaillierte Analyse verschiedener Betriebszustände und Störgrößen. Das Untersuchungsspektrum umfasst unter anderem:

  • Mangelschmierungsuntersuchungen
  • Einfluss von Über- und Unterdruck auf das Dichtsystem
  • Auswirkungen von Lageabweichungen zwischen Welle und RWDR
  • Verhalten bei dynamischen Drehzahlprofilen

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Welle-Nabe-Verbindungen (WNV)

Das Institut besitzt mehr als 20 Jahre Erfahrung bei der Auslegung und Optimierung von Welle-Nabe-Verbindungen.

Assoc. Prof. DI Dr. Michael Bader ist Mitarbeiter im Arbeitsausschuss Wellen- und Welle-Nabe-Verbindungen des DIN-Normenausschusses Maschinenbau und publiziert auf diesem Gebiet.

Welle-Nabe-Verbindungen stellen ein zentrales Maschinenelement in Antriebssystemen dar. Die Auslegung von reib- und formschlüssigen Verbindungen ist genormt, für die geometrische Gestaltung gibt es Empfehlungen bzw. standardisierte Geometrien.

Bei speziellen Belastungssituationen oder erhöhten Anforderungen an Leichtbau und Bauraumoptimierung zeigen sich Unschärfen, Grenzen oder sogar Lücken der Auslegungsrichtlinien. Das Verhalten und die Lebensdauer der WNV ist dabei maßgeblich von den tribologischen Bedingungen im Kontakt beeinflusst, vor allem bei dynamischer Belastung.

Hier ist oftmals eine systematische, versuchsgestützte Verifikation und Optimierung der WNV auf institutseigenen Komponentenprüfständen eine zielführende und effiziente Entwicklungsmethodik.

Diese Prüfstände weisen folgende Merkmale auf, bzw. können für folgende Untersuchungen genutzt werden:

  • statische und dynamische Torsionsbelastung
  • Drehmomenten bis 10.000 Nm
  • Drehwinkelerfassung in 0,0077° - Schritten (47.000 Inkrementen / Umdrehung) 
  • Ermittlung von Verschleiß, Steifigkeitsänderung, Bruchverhalten
  • Individuelle Aufbauten, anforderungsgerechte Eigenentwicklungen oder nach Auftraggebervorgabe

Expertise ist insbesondere bei der Sonder-Verbindung „selbstschneidende und selbstformende Rändelverbindung“ vorhanden, die in folgenden Bildern dargestellt ist.

© Bader – TU Graz/IME

Weitere Informationen zu Rändel-Welle-Nabe-Verbindungen und Publikationen zum Thema hier.

Auf diesem Gebiet können studentische Abschlussarbeiten (sowohl Bachelor- als auch Masterarbeiten) durchgeführt werden. Diese werden zeitlich und inhaltlich individuell ausgestaltet - entsprechend den Bedarfen im Rahmen aktueller Forschungsprojekte sowie den Fähigkeiten und Interessen der Studierenden.

Bei Interesse oder Fragen wenden Sie sich bitte an Assoc. Prof. Michael Bader.

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Kontakt
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Institut für Maschinenelemente und Entwicklungsmethodik

Inffeldgasse 21b/II
8010 Graz

Tel.: +43 316 873 7361 
Fax: +43 316 873 7370

Email: imenoSpam@tugraz.at
Web: www.ime.tugraz.at