Gleitlager

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Funktionsprinzip

Ein Gleitlager besteht aus einem beweglichen und einem festen Teil. Der bewegliche Teil, meist eine Welle oder ein Wellenzapfen, gleitet auf den Gleitflächen des festen Teils, meist eine Lagerschale oder eine Lagerbuchse in einem Gehäuse beim Radiallager oder ein mit der Welle drehender Laufring auf einem feststehenden Lagerring beim Axiallager. Bei einem Radiallager wirkt die von dem Lager aufgenommene Kraft senkrecht zur Drehachse. Ein Axiallager nimmt die Kraft Richtung Welle auf.

Radiallager (Gleitlager (links) und Wälzlager)

Datei:Axiallager.jpg Axiallager (Wälzlager)

Hydrodynamische Gleitlager

Hydrodynamische Gleitlager arbeiten nach dem Prinzip der internen Druckerzeugung, es bildet sich ein tragender Schmierfilm, deshalb braucht ein hydrodynamisches Gleitlager eine bestimmte Anlaufzeit bis sich der Schmierfilm voll ausgebildet hat. Der Verschleiß während der Anlaufzeit ist recht hoch. Um diesen zu verringern gibt es z.B. Hybridlager. Diese Lager sind eine Kombination aus hydrodynamischen- und hydrostatischen Gleitlagern. Die besondere Eigenschaft eines hydrodynamischen Gleitlagers ist, daß die Reibung mit steigender Drehzahl geringer wird. Vorteile eines hydrodynamischen Gleitlagers sind der einfache Aufbau, die einfache Herstellung und die unempfindlichkeit gegenüber Schmutz. Nachteilig wirken sich der hohe Anlaufreibwert, die Verlagerung des Wellenmittelpunkts und die erforderliche Einlaufzeit aus. Die Wahl der Werkstoffe des Lagers und der Welle spielen eine entscheidene Rolle.

Gleitlager benötigen eine Anfahrdrehfrequenz um einen ausreichenden Schmierfilm bilden zu können. Bei der Dimensionierung eines Gleitlagers muss darauf geachtet werden, daß sich der optimale Betriebspunkt im volltragenden Bereich befindet. Der Übergang zwischen Anfahrbereich und volltragender Bereich ist instabil und kann bei geringen Drehfrequenzschwankungen das Lager verschleißen.

Bei einem hydrodynamischen Gleitlager gibt es 4 Betriebsbereiche:

1.) Stillstand/ Anfahren

2.) Übergangsbereich

3.) Nennbetriebsbereich ( volltragender Bereich)

4.) zentrischer Lauf ( kritisch)

Im Bereich Stillstand und Anfahren berühren sich die Welle und die Lagerschale. Mit zunehmender Drehzahl wird der Schmierfilm tragfähig und das Gleitlager befindet sich im Übergangsbereich. In diesem Bereich herrscht Mischreibung. Nimmt die Drehfrequenz weiter zu ist der volltragende Bereich erreicht. In diesem Bereich gibt es nur noch Flüssigkeitsreibung. ein hydrodynamisches Gleitlager kann den tragenden Schmierfilm nur aufbauen, wenn die Welle exzentrisch läuft. Bei zu hoher Drehfrequenz nähert sich die Welle dem Mittelpunkt der Lagerschale.

Quelle: Roloff/Matek Powerpoint Präsentation gllag-01

Diese Betriebsbereiche können im Stribeck Diagramm nachvollzogen werden.

Quelle: Roloff/Matek Powerpoint Präsentation gllag-01

Aus dem Zusammenhang Ordinate Reibungszahl μ und Abzisse Drehfrequenz n ergeben sich bei konstanten Werten für die spezifische Lagerbelastung p_L und die Viskosität des Schmierstoffes η die Reibungskurven. Mit steigender Drehfrequenz n sinkt die Reibungszahl μ sehr schnell ab. Das Gebiet der Mischreibung wird durchlaufen und μ sinkt auf ein Minimum an den Ausklinkpunkten A (A^', A^{' '} je nach p_L und η ) ab. Es gibt keine metallische Berührung der Gleitflächen mehr und das Lager befindet sich im volltragenden Bereich.

Quelle: Roloff/Matek Powerpoint Präsentation gllag-01

Die Sommerfeldzahl ist die Kennzahl für den Lastbereich von Gleitlagern. Sie sagt aus, dass Lager mit gleicher S_o Zahl, sofern das Verhältnis b/d_L und die Ölzuführungselemente gleich sind, hydrodynamisch ähnlich sind.

Sommerfeldzahl

So=(pL*Ψ2B)/(ηeff*ωeff)=(F*Ψ2B)/(b*dL*ηeff*ωeff)

S_o≤1 und ε=0,6...0,95 störungsfreier Betrieb

S_o≤10 und ε 0,95...1 Verschleiß möglich

S_o<1 und ε<0,6 mögliche Instabilität der Wellenlage

relative Exzentrizität

ε=e/(0,5*s)=e/(0,5*dL*Ψ)

Hydrostatische Gleitlager

Bei einem hydrostatischen Gleitlager muss vor dem Anlaufen ein Schmierfilm zwischen Lager und Welle vorhanden sein. Dies wird durch eine Pumpe realisiert. Das Schmiermittel wird durch den Lagerspalt zugeführt. Die Pumpe drückt den Schmierstoff über Einlasskanäle in Schmiermitteltaschen. Das Schmiermittel wird zwischen die Lagerflächen gepresst und trennt diese durch einen dünnen Schmierfilm. Reibungsverluste entstehen nur durch die Scherkräfte der Flüssigkeiten auf. Bei der Verwendung von gasförmigen Schmierstoffen spricht man von Luftlagern. Vorteilhaft bei einem hydrostatischen Gleitlager ist, daß es keine Anlaufreibung gibt. Der Werkstoff und die Oberfläche der Welle und des Lagers wirken sich nur geringfügig auf das Gleitverhalten aus. Es ist nur eine geringe Verlagerung des Wellenmittelpunktes zu beobachten und es besteht nahezu eine unbegrenzte Lebensdauer. Die aufwendige Konstruktion, die Empfindlichkeit gegenüber Schmutz und die aufwendige Schmierstoffzuführung zählen definitiv zu den Nachteilen.

Schmierung

In jedem Lager zeigen sich im Betrieb Reibungskräfte. Reibungskräfte setzen der Gleitbewegung einen Widerstand entgegen und erzeugt dabei Wärme, die als Reibungswärme abzuführen ist. Geringes Benetzen der Gleitflächen mit Schmierstoff genügt, um die Reibung beträchtlich zu mindern und so auch den Verschleiß des Gleitlagers zu mindern. Es gibt eine Vielzahl von Schmierstoffen wie z.B. Fette, Gleitlacke, Öle, Wachse, Gase (Dämpfe,Luft).

Aufgaben des Schmierstoffes

Der Schmierstoff in einem Gleitlager übernimmt den Kraftschluss zwischen Lager und Welle und die kinematische Anpassung. Er dient der Kühlung, der Dämpfung von Stößen und Vibrationen und dem Korrosionsschutz.

Schmierungsarten

Ölschmierung

Die Ölschmierung eignet sich für alle Betriebsbereiche eines Gleitlagers. Es werden vorwiegend Mineralöle eingesetzt, deren Schmiereigenschaften können durch Zusätze, wie Molybdänsulfid oder Graphit verbessert werden.

Fettschmierung

Die Fettschmierung eignet sich vorwiegend bei geringen Drehzahlen und Pendelbewegungen oder bei stoßartiger Belastung. Sie wird auch eingesetzt, wenn eine Schwimmreibung nicht zu erreichen ist.

Wasserschmierung

Die Wasserschmierung wird häufig bei Gleitlagern aus Holz, Kunststoff und Gummi verwendet.

Trockenschmierung

Molybdänsulfid oder Graphit werden bei hohen Temperaturen und zur Notlauf- und einmaligen Schmierung eingesetzt.

Schmierverfahren

Durchlaufschmierung

Das Schmiermittel kommt nur einmal zum Einsatz. Dieses Verfahren ist sehr unwirtschaftlich und wir nur bei gering beanspruchten Lagern, einfachen Lagern oder wo aufgrund von Verunreinigungen das Schmiermittel unbrauchbar geworden ist eingesetzt.

Umlaufschmierung

Bei Steh-, Flansch- und Einbaulagern mit mittleren Gleitgeschwindigkeiten und waagerechten Wellen, wird die Ringschmierung am häufigsten eingesetzt. Schmierringe fördern das Öl an die Gleitflächen. Es gibt feste Schmierringe, die sich mit der Welle drehen oder lose Schmierringe, die sich auf der Welle abwälzen.

Die Ölbadschmierung, bei der die gleitenden Flächen in Öl laufen, wird oft bei Spurlagern eingesetzt. Bei der Tauchschmierung tauchen die zu schmierenden Teile in Öl ein und fördern oder schleudern es an die Schmierstelle.

Bei der Druckumlaufschmierung wird mittels einer Pumpe die Schmierstelle mit Schmiermittel versorgt. Sie ist die sicherste und leistungsfähigste Schmierung. Sie wird bei hochbelasteten Lagern eingesetzt (Turbinen, Werkzeugmaschinen). Sie eignet sich auch als Zentralschmierung für ganze Maschinen. Mit Hilfe von einstellbaren Verteilern oder einstellbaren Einzelpumpen kann den Schmierstellen eine dosierte Schmierstoffmenge zugeführt werden.

Eigenschaften flüssigkeitsgeschmierter Gleitlager

Der Schmierfilm wirkt Schwingungs-, Stoß- und Geräuschdämpfend. Es unterliegt keiner Drehzahlbegrenzung und ist konstruktiv sehr anpassungsfähig, da es eine geringe radiale Bauhöhe besitzt.

Lagerwerkstoffe

Gleitlager werden aus den verschiedensten Werkstoffen hergestellt, je nach Einsatzgebiet und Anforderungen wird der richtige Werkstoff ausgewählt.

Am häufigsten kommen Nichteisenmetall-Legierungen vor. Zudem noch folgende Werkstoffgruppen, Nichtmetalle die für die Formgebung der Lagerschalen verantwortlich sind und gelegentlich Gusseisen mit Lamellengraphit.

Quelle: Roloff/Matek Powerpoint Präsentation gllag-01

Kräfte

Belastungsarten

Lagerbelastungen eines Gleitlagers im Betrieb sind z.B. Radial- und Axialkräfte, Reibkräfte, Wärme, Drehzahl, Unwucht der Bauteile.

Verschleiß

Verschiedene Faktoren verursachen mit der Zeit einen Lagerschaden. Mögliche Ursachen für Lagerschäden:

- Schmutz

- Ölmangel

- falsches Schmiermittel

- zu hohe/niedrige Drehzahl

- Anlaufschäden

- nichtbeachtung event. Einlaufzeiten

- Stöße/Schwingungen

Schadensfrüherkennung

Einem Lagerschaden gehen bestimmte Symptome vorraus. Bei deren Beachtung kann ein drohender Lagerschaden abgewendet werden.

- untypische Geräusche während des Betriebes

- untypische Schwingungen

- Druckabfall des Schmierstoff

- Rückstände im Schmierstoff

- Spiel

- zu hohe Lagertemperaturen

Maßnahmen

Durch gewisse Maßnahmen kann man die Symptome eines drohenden Lagerschadens erfassbar machen.

- regelmäßige Wartungen/Inspektionen

- Einsatz von Schmierstoffiltern

- Sensoren zur Überwachung relevanter Betriebszustände (Temperatur/Schwingungen)

Einsatzgebiete

Gleitlager werden in den verschiedensten Anwendungsbereichen eingesetzt.

Hydrodynamische Gleitlager eignen sich besonders bei hohen Drehzahlen und hohen stoßartigen Belastungen. Sie eignen sich für den Dauerbetrieb da sie verschleißarm sind.

Einsatzbereiche:

- Getriebe

- Verdichter

- Haupt- und Pleuellager

- Elektomotoren

Hydrostatische Gleitlager eignen sich nur bei niedrigen Drehzahlen. Sie haben einen geringen Reibungsverlust und eignen sich besonders für den Dauerbetrieb da sie verschleißfrei sind.

Einsatzbereiche:

- Werkzeugmaschinen

- Axiallager mit hoher Belastung

- Präzisionslager

Trockenlauf Gleitlager eignen sich für den wartungsarmen oder wartungsfreien Betrieb.

Einsatzbereiche:

- Haushaltsgeräte

- Baumaschinen

schematischer Aufbau eines Schiffswellenlagers

Quelle: Roloff/Matek Powerpoint Präsentation gllag-01

Vergleich Wälz- und Gleitlager

Wälzlager haben gegenüber Gleitlagern den Vorteil, daß sie ein geringes Anlaufreibmoment besitzen und einen geringen Schmierstoffverbrauch haben. Wälzlager sind meist wartungsfrei. Nachteilig wirkt sich die hohe Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen und Stößen aus. Bei einem direkten Vergleich zu einem Gleitlager (gleiche Baugröße) steht eine deutlich kleinere Fläche zur Übertragung der Kräfte zur verfügung.

Siehe auch Wälzlagerungen

Dimensionierung

Von der Lagergestaltung hängt der im Lager auftretende Schmierfilmdruck p_max ab. Ein Lager muss in seiner Breite so dimensioniert sein, daß es diesen Druck ohne Gleitflächenverformung aufnehmen kann. Das Breitenverhältnis zwischen Lagerbreite b und Innendurchmesser d_L beeinflußt die Tragfähigkeit und Erwärmung des Lagers.

b/d_L=0,2...1...(1,5)

Bei Lagern mit hoher Drehzahl und geringer Lagerkraft F wird ein Verhältnis b/d_L=0,5...1 angestrebt, im umgekehrten Fall wird ein kleiner Verhältniswert verwendet b/d_L<0,5. Lager die ein Breitenverhältnis b/d_L=>1...1,5 haben, besitzen eine geringere Tragfähigkeit, da sich das Öl in einem breiten Lager länger befindet und somit die Temperatur des Öles steigt. Die Viskosität des Öles nimmt dabei ab. Um die mechanische Beanspruchung der Lagerwerkstoffe zu beurteilen muss man die spezifische Lagerbelastung ermitteln. Die ergibt sich aus der Lagerkraft bezogen auf die Lagerfläche.

pL=F/b*dL≤pLzul

Einfluss der Lagerbreite auf die Belastbarkeit bei gleichem Lagerspiel  

Bei gleicher Lagerbreite kann ein Lager mit geringer Schmierspalthöhe ( Lagerspiel) die Lagerkraft gleichmäßig aufnehmen und besitzt ein deutlich geringeres p_max als ein Lager mit großer Schmierspalthöhe.

Berechnung

Berechnung Radialgleitlager

Betriebskennwerte (Relativwerte)

Relatives Lagerspiel
Ψ=s/dL=dL-dw/dL

Relative Exzentrizität
ε=e/(0,5*s)=e/(0,5*dL*Ψ)

Sommerfeldzahl
 So=(pL*Ψ2B)/(ηeff*ωeff)=(F*Ψ2B)/(b*dL*ηeff*ωeff)

Reibungskennzahl
PR=μ*F*uw=μ*F*dw/2*ωeff≈μ*F*dw*π*nw=(μ/ΨB)*F*dw*π*nw*ΨB

Wärmebilanz

Wärmestrom
PR=Pα+Pc   allgemein

Pα=α*AG(δm-δU)

Pc=V*σ*c(δa-δe)

Natürliche Kühlung
δL=δm=δU+PR/(α*AG)

Rückkühlung des Schmierstoffes
δL=δa=δe+PR/(V*σ*c)

Schmierstoffdurchsatz

Förderung durch Eigendrehung
VD=VDrel*d3L*Ψ3B/ηeff*pZ

Förderung durch Zuführdruck
VpZ=VpZrel*d3L*Ψ3B/ηeff*pZ

Berechnung Axialgleitlager

Spurlager mit ebenen Platten

mittlere Flächenpressung
pL=F/π(r2a-r2i)

Schmierstoffvolumenstrom
V=π*h30*pT/6*ηeff*ln(ra/ri)*pT

Reibungsleistung
PR=TR*ωeff

Reibungszahl
μ=4(PR+PP)/F*ωeff(da+di)

Übungsaufgabe

Für ein Axiallager mit Kippsegmenten für eine senkrechte Welle sind die Segmentbreite, Segmentlänge, Segmentdicke und Segmentteilung zu berechnen.

Zür Lösung werden Formeln aus dem Roloff/Matek Lehrbuch gebraucht. Zu finden auf den Seiten 542-544.

Geg.:

d_a = 330 mm

d_i = 170 mm

d_m = 250 mm

z = 10

Ges.:

b =

l =

h_seg =

l_t =

Gleitlager: Lösung

Fragen

1) Welche Arten von Kräften wirken auf ein Gleitlager während des Betriebes?

2) Welche Aufgaben hat der Schmierstoff?

3) Was ist der Unterschied zwischen einem hydrodynamischen und hydrostatischen Gleitlager?

4) Nenne einige Faktoren die zu einem Lagerschaden führen können.

5) Was unterscheidet sich zwischen einem Wälz- und Gleitlager bei gleicher Baugröße?

Gleitlager: Antworten

Beschaffung

Hersteller

Kolbenschmidt http://www.kolbenschmidt.de

Murtfeldt http://www.murtfeldt.de/

Quellen

Roloff/Matek Lehrbuch und Internetseite http://roloff-matek.de

Roloff/Matek Tabellenbuch

Roloff/Matek Formelsammlung

Techniker Handbuch (Vieweg Verlag)