Prüfung der Lagerbelastung in der Luft- und Raumfahrt: Methoden, Standards und Auswahlhilfe

Wenn ein Lager eines Flugsteuerungsaktuators während des Endanflugs ausfällt, werden die Folgen nicht in den Reparaturkosten gemessen. Sie werden an der Flugsicherheit gemessen. Es gibt Belastungstests für Lager in der Luft- und Raumfahrt, um vor dem Einbau nachzuweisen, dass ein Lager den Kräften standhält, denen es im Betrieb ausgesetzt ist. Die Schlussfolgerung ist einfach: Lasttests sind keine Formalität. Nur so kann zuverlässig bestätigt werden, dass Design, Material und Fertigungstoleranzen eines Lagers den Anforderungen der Luftfahrt entsprechen.

In diesem Leitfaden erklären wir, warum Belastungstests von entscheidender Bedeutung sind, die wichtigsten Testtypen, die bei der Luft- und Raumfahrtqualifikation verwendet werden, die Standards, die sie regeln, und worauf Ingenieure und Beschaffungsspezialisten bei der Auswahl von Lagern für flugkritische Anwendungen achten sollten.

Warum Belastungstests in der Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung sind

Lager in Luft- und Raumfahrtanwendungen werden nicht unter einer einzigen, vorhersehbaren Belastung betrieben. Ein Fahrwerkslager erfährt beim Aufsetzen eine hohe statische Belastung, beim Rollen und Schleppen hingegen eine geringere dynamische Belastung. Ein Getriebelager in einem Motor ist schnellen zyklischen Belastungen und hohen Temperaturgradienten ausgesetzt. Jedes Szenario belastet das Lager anders.

Standardmaßprüfungen überprüfen nur die Geometrie. Sie beweisen nicht, dass das Lager die Last tragen kann. Ein Lager kann eine Maßprüfung bestehen und dennoch im Betrieb versagen, wenn:

• Es enthält nichtmetallische Einschlüsse im Stahl.
• Durch die Wärmebehandlung waren die Laufbahnen zu weich oder zu spröde.
• Durch die Krümmung der Laufbahn entsteht eine übermäßige Kontaktspannung.
• Bei Stoßbelastung verformt sich der Käfig.

Beim Prüflasttest wird eine über der erwarteten Betriebslast liegende Belastung ausgeübt und anschließend das Verhalten des Lagers überprüft. Dieser Test deckt Probleme auf, die mit herkömmlichen Inspektionsmethoden übersehen werden. Die Kosten eines einzelnen ausrangierten Lagers sind im Vergleich zu den Kosten eines Ausfalls während des Fluges vernachlässigbar. Aus diesem Grund integrieren die meisten Lieferanten von Luft- und Raumfahrtlagern Prüflasttests in ihre Fertigungs- und Inspektionsroutinen.

Wichtige Arten der Lagerbelastungsprüfung in der Luft- und Raumfahrt

Die Prüfung der Lagerbelastung in der Luft- und Raumfahrt lässt sich in drei Hauptkategorien einteilen. Sie unterscheiden sich in Zweck, Belastungsgrad und Akzeptanzkriterien.

Probelasttests

Bei einem Probelasttest wird das Lager axial oder radial auf ein Niveau belastet, das seine maximal erwartete Betriebslast überschreitet. Moderne Maschinen erhöhen die Last kontrolliert, oft um etwa 1 % pro Sekunde, und halten sie für eine bestimmte Zeit auf dem Zielniveau. Anschließend wird das Lager auf bleibende Verformungen, Risse und Veränderungen des Laufdrehmoments überprüft. Für die meisten Luft- und Raumfahrtkomponenten ist die Prüflast je nach anwendbarer Norm auf das 1,5- bis 2-fache der maximal erwarteten Betriebslast festgelegt.

Durchbiegungsprüfung

Beim Durchbiegungstest wird gemessen, wie stark sich das Lager unter Belastung elastisch durchbiegt. Dies ist bei Präzisionsbetätigungssystemen von Bedeutung, bei denen eine übermäßige Auslenkung zu Positionierungsfehlern führt. Eine Steuerfläche, die sich unter Last durchbiegt, kann zu Flattern, verringerter Autorität und erhöhter Arbeitsbelastung des Piloten führen. Durchbiegungstests überprüfen auch die Steifigkeit einer Lagerbaugruppe vor dem Einbau.

Höchst- und Bruchlastprüfung

Bei der Höchstlastprüfung handelt es sich um eine zerstörende Prüfung. Das Lager wird so lange belastet, bis es bricht oder seine Funktion nicht mehr erfüllt. Die Grenzlast wird normalerweise als Grenzlast multipliziert mit einem Sicherheitsfaktor berechnet, bei Flugzeugstrukturen häufig 1,5. Die Ergebnisse definieren den Sicherheitsspielraum des Designs und werden in Zertifizierungsdokumenten verwendet. Für Lagerhersteller liefert dieser Test auch Daten, die in die Produktentwicklung einfließen.

Normen zur Prüfung der Lagerbelastung in der Luft- und Raumfahrt

Die Prüfung der Lagerbelastung in der Luft- und Raumfahrt wird nicht nach einem einheitlichen, universellen Verfahren durchgeführt. Mehrere Standards legen fest, wie Tests durchgeführt werden, welche Laststufen verwendet werden und welche Akzeptanzkriterien gelten.

ARP5483/5 ist einer der relevantesten Standards für Wälzlager in Flugzeugstrukturen. Es beschreibt ein empfohlenes Verfahren zur Durchführung statischer radialer Grenz- und Bruchlasttests, einschließlich Testaufbau, Belastungsraten und Berichtsanforderungen. Es wird von SAE International herausgegeben und findet in den Beschaffungsspezifikationen für Lager in der Luft- und Raumfahrt häufig Bezug.

NAS0331 ist ein Standard für Lager, die in Flugzeugstrukturen verwendet werden. Es enthält Prüflastanforderungen, die ein Lager erfüllen muss, bevor es für kritische Anwendungen zugelassen wird. Für viele Beschaffungsabteilungen ist NAS0331 der Bezugspunkt bei der Bewertung von Lagerlieferanten.

MIL-SPEC deckt ein breites Spektrum an Militär- und Luftfahrtkomponenten ab, darunter auch Lager. Militärische Spezifikationen können über die kommerziellen Standards hinaus Anforderungen wie Korrosionsschutz, spezielle Schmierstoffe und zusätzliche Tests hinzufügen.

Für Hersteller ist das Qualitätsmanagementsystem ebenso wichtig wie die Prüfung selbst. Ein Lagerlieferant, der ISO9001 und ISO/TS16949 einhält, weist nach, dass seine Prozesse konsistent, nachvollziehbar und geprüft sind. Diese Zertifizierungen tragen dazu bei, dass das Lager, das Sie heute testen, mit dem Lager übereinstimmt, das Sie nächsten Monat erhalten.

Wie sich Lagerkonstruktion und -herstellung auf die Ergebnisse von Belastungstests auswirken

Derselbe Prüflasttest kann bei Lagern, die von außen identisch aussehen, zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Der Unterschied liegt im Material, der Wärmebehandlung, der Laufbahngeometrie und den Fertigungstoleranzen.

Materialauswahl bestimmt die grundlegenden mechanischen Eigenschaften. Chromstahl bietet eine hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit, während Edelstahl Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen bietet, die Feuchtigkeit oder Chemikalien ausgesetzt sind. Hybridkeramiklager verwenden keramische Wälzkörper, die einen höheren Elastizitätsmodul und eine geringere Dichte als Stahl haben und so die Zentrifugalkräfte bei hohen Geschwindigkeiten reduzieren. Bei der Auswahl von Materialien für die Luft- und Raumfahrt müssen Sie sowohl die Ergebnisse der Belastungstests als auch die Betriebsumgebung berücksichtigen.

Rillenkugellager sind die Standardwahl für Radiallasten in Betätigungsmechanismen, Klappenschienen und Gerätehalterungen. Ihre Laufbahngeometrie bietet einen einfachen, robusten Lastpfad, aber die Kontaktspannung unter Prüflast hängt empfindlich vom Innenspiel und der Kugelgröße ab. Wenn sich die Prüflast der statischen Tragzahl nähert, wird der Spielraum kritisch. Bei der Auswahl von Rillenkugellagern in Originalgröße muss ein klares Verständnis sowohl der ausgeübten Kraft als auch der zulässigen Verformung in der jeweiligen Luft- und Raumfahrtkomponente vorliegen.

Full-Size-Rillenkugellager der Serien 6800 und 6900 Dieses Rillenkugellager in voller Größe ist ideal für die Aufnahme radialer Lasten in Antriebsmechanismen und Gerätehalterungen und gewährleistet eine zuverlässige Leistung unter Prüflastbedingungen. Produkt anzeigen →

Schrägkugellager sind eine häufige Wahl, wenn das Lager sowohl radiale als auch axiale Belastungen tragen muss. Der Kontaktwinkel bestimmt, wie die Last auf die Kugeln verteilt wird. Ein Kontaktwinkel von 15 Grad priorisiert Geschwindigkeit und geringe Reibung, während ein Winkel von 40 Grad eine höhere axiale Belastbarkeit bietet. Bei einem gegebenen Prüflasttest hat der Kontaktwinkel direkten Einfluss auf die Kontaktspannung und die Verformung der Laufbahn.

Einreihiges Schrägkugellager für kombinierte Belastungen Dieses einreihige Schrägkugellager verfügt über einen optimierten Kontaktwinkel und bewältigt effektiv kombinierte radiale und axiale Belastungen, was es zu einer zuverlässigen Wahl für Hochgeschwindigkeitsanwendungen macht. Produkt anzeigen →

Kegelrollenlager Bewältigen Sie kombinierte Lasten mit hohen radialen und axialen Komponenten und werden häufig in Fahrwerken und Radbaugruppen eingesetzt. Ihre Geometrie ermöglicht es der Rolle und der Laufbahn, die Last über eine größere Kontaktfläche zu verteilen. Bei einem Prüflasttest weist ein Kegelrollenlager bei gleicher Materialqualität in der Regel eine geringere bleibende Verformung auf als ein Kugellager mit der gleichen Baugröße.

Einreihiges Kegelrollenlager für schwere Lasten Dieses einreihige Kegelrollenlager ist für hohe radiale und axiale Belastungen ausgelegt und bietet hervorragende Steifigkeit und minimale Verformung, geeignet für anspruchsvolle Industrie- und Automobilanwendungen. Produkt anzeigen →

Wärmebehandlung ist eine weitere kritische Variable. Lager werden auf einen bestimmten Härtebereich gehärtet, typischerweise 58–64 HRC für gängige Lagerstähle. Wenn die Härte unter den erforderlichen Bereich fällt, kann es unter Prüflast zu einer Einkerbung der Laufbahn kommen. Liegt der Wert darüber, ist das Lager möglicherweise spröde und anfällig für Risse. Der Wärmebehandlungsprozess muss für jede Charge genau gesteuert und dokumentiert werden.

Toleranzklasse wirkt sich sowohl auf die Ergebnisse des Belastungstests als auch auf die Laufgenauigkeit aus. Luft- und Raumfahrtlager werden häufig in den Toleranzklassen P5 oder P4 spezifiziert. Ein P0-Lager besteht möglicherweise eine Maßprüfung, weist jedoch immer noch Laufbahngeometriefehler auf, die während des Prüflasttests zu Kantenbelastungen führen. Die Folge ist eine höhere lokale Belastung und ein höheres Risiko eines vorzeitigen Betriebsausfalls.

Auswahl von Lagern für Belastungstests in der Luft- und Raumfahrt

Der Auswahlprozess sollte mit den Belastungsbedingungen beginnen, nicht mit dem Lagertyp. Für jedes Lager müssen Sie die Grenzlast, die Höchstlast und die Prüflast kennen. Nur dann können Sie das Lager auf die Anwendung abstimmen.

Schritt 1: Berechnen Sie die Belastung. Bestimmen Sie die radialen und axialen Belastungen, denen das Lager im schlimmsten Fall ausgesetzt sein wird. Nutzen Sie den Lastbereich des Flugzeugs und den Lastpfad des Aktuators oder der Struktur.

Schritt 2: Wählen Sie den Lagertyp. Für eine rein radiale Belastung eignet sich ein Rillenkugellager oder ein Zylinderrollenlager. Bei axialer Belastung ist ein Axialkugellager die logische Wahl. Für kombinierte Belastungen sind Schrägkugellager oder Kegelrollenlager besser geeignet.

Schritt 3: Überprüfen Sie die statische Tragzahl. Die statische Tragzahl C0 gibt die Belastung an, die eine bestimmte bleibende Verformung hervorruft, üblicherweise definiert als das 0,0001-fache des Kugeldurchmessers. Eine Prüflast, die diesen Wert überschreitet, führt zu einer messbaren Verformung. Stellen Sie sicher, dass das Verhältnis zwischen Prüflast und C0 einen ausreichenden Spielraum lässt.

Schritt 4: Überprüfen Sie die Toleranzklasse. Ein Lager, das einen strengen Belastungstest bestehen und in einem Präzisionsantrieb betrieben werden muss, sollte mit P5 oder P4 spezifiziert werden. Wenn die Anwendung weniger anspruchsvoll ist, kann P0 akzeptabel sein.

Schritt 5: Bestätigen Sie die Wärmebehandlung und das Material. Überprüfen Sie das Materialzertifikat und das Wärmebehandlungsprotokoll. Für die Luft- und Raumfahrt muss der Hersteller in der Lage sein, die Charge bis zum Rohstahllieferanten zurückzuverfolgen.

Schritt 6: Bewerten Sie den Lieferanten. Fragen Sie nach Lasttestfunktionen, Testgeräten und Qualitätsmanagementzertifizierungen. Der Lieferant sollte in der Lage sein, nachvollziehbare und reproduzierbare Belastungstestberichte bereitzustellen.

Weitere Informationen zur Leistung von Schräglagern unter verschiedenen Lastrichtungen finden Sie in unserem Artikel zur Reduzierung des Rollwiderstands in Schrägkugellagern . Es erklärt, wie sich die Auswahl des Kontaktwinkels auf die Effizienz und die Lasthandhabung auswirkt.

Praktische Überlegungen für Beschaffungsingenieure

Beim Kauf von Lagern für Luft- und Raumfahrtanwendungen sind die Belastungstestdaten nicht nur ein technisches Detail. Es ist Teil der Beschaffungsdokumentation. Hier sind die wichtigsten Fragen, die Sie stellen sollten:

• Welche Belastungsstufe wird für die Wiederholungsprüfung verwendet?
• Sind die Testdaten auf eine bestimmte Produktionscharge rückführbar?
• Welche Norm wird für das Belastungstestverfahren herangezogen?
• Was sind die Akzeptanzkriterien und werden diese dokumentiert?

Käufer sollten auch das Lagermaterial im Hinblick auf die Umwelt berücksichtigen. Wenn ein Lager beispielsweise Feuchtigkeit und Verunreinigungen ausgesetzt ist, bieten Edelstahllager einen klaren Vorteil. Unser Sortiment an Edelstahllagern deckt Anwendungen ab, bei denen Korrosionsbeständigkeit ebenso wichtig ist wie Belastbarkeit.

1. Überprüfen Sie das Qualitätsmanagementsystem des Lieferanten. ISO9001 ist die Basis; ISO/TS16949 ist ein stärkerer Kapazitätsindikator für die Automobil- und Luftfahrtbranche.
2. Fordern Sie für jeden neuen Lagertyp einen Muster-Chargentestbericht an.
3. Fragen Sie nach dem vom Stahlwerk zertifizierten Material, nicht nur nach dem Zertifikat des Lagerherstellers.
4. Bestätigen Sie, dass die statische Tragzahl des Lagers der Prüflast in Ihrer Spezifikation entspricht oder diese überschreitet.

Wenn ein Lieferant auch nicht standardmäßige Lageranpassungen anbietet, kann dies den Qualifizierungsprozess vereinfachen. Ein Hersteller, der Abmessungen, Dichtungen oder Materialien basierend auf den Ergebnissen der Belastungstests ändern kann, bietet Ihnen mehr Flexibilität in der Designphase.

Die Prüfung der Lagerbelastung in der Luft- und Raumfahrt ist kein optionales Extra. Es ist der Unterschied zwischen einer zertifizierten Komponente und einem unbekannten Risiko. Wenn Sie Lager für kritische Fluganwendungen spezifizieren, sind die Belastungstestdaten Teil der Identität des Lagers. Wählen Sie ein Lager, das die Prüflast bestehen kann, überprüfen Sie die Testaufzeichnungen und arbeiten Sie mit einem Hersteller zusammen, der die Belastungsprüfung als Teil der Produktion und nicht als nachträgliche Überlegung behandelt. Das richtige Lager besteht nicht nur den Test. Es wird den Test jedes Mal bestehen.