Gleitlager

Hinweis

Erklärung der benutzten Kürzel:

Das Lehrbuch von Roloff Matek ist nur mit RM abgekürzt.

Die Formelsammlung mit RM und in Klammern die Formelnummer z.B. RM (15-15).

Das Tabellenbuch mit TB und dann die Tabellennummer z.B. TB (15-3).

Alle Grafiken die nicht mit einer Quellenangabe versehen sind stammen aus denn Drei unten aufgelisteten Büchern von Roloff Matek.

Was ist ein Gleitlager?

Gleitlager sind Lager bei denen die Relativbewegung zwischen Welle und Lagerschale bzw. einem Zwischenmedium eine Gleitbewegung ist.

Allgemeines

Funktionen und Wirkungen

Man unterscheidet Gleitlager nach zwei Kriterien 1. nach Art der Tragkrafterzeugung und 2. nach Anordnung der Gleitflächen.

1. Nach Art der Tragkrafterzeugung unterscheidet man:

• hydrodynamische Gleitlager
  • diese arbeiten nach aArt der internen Druckerzeugung, d.h. der tragende Schmierfilm wird durch die Relativbewegung zwischen Wellen und Lagerschale erzeugt.

• hydrostatische Gleitlager
  • diese arbeiten nach Art der externen Druckerzeugung, d.h. der notwendige Schmierstoffdruck wird außerhalb des Lagers durch eine Pumpe erzeugt.

• Trockenlaufgleitlager
  • bei Trockenlaufgleitlagern wird kein Zwischenmedium genutzt, sie gleiten alleine auf Grund der Werkstoffpaarung.

2. nach Anordnung der Gleitflächen unterscheidet man:

• Axiallager (b)
• Radiallager (a)

Verwendung von Gleitlagern in der Praxis

Die Verwendung von Gleitlagern ergeben sich aus den Vorteilen die diese bieten somit kommen wir auf den Schluss, dass Gleitlager speziell geeignet sind für:

• hohe Drehzahlen
• hohe Belastungen
• für "Dauerläufer"
• geringen Platz
• Stöße und Erschütterungen
• geräuscharmen Lauf
• Lagerungen mit hoher Verschmutzungsgefahr
• verschleißfreie Lager (Flüssigkeitsreibung oder Magnetlagerungen)
• Günstige alternative zu Wälzlager
• geteilte Lager

Nachteile

• hohes Anlaufdrehmoment
• hoher Schmierstoffverbrauch
• laufende Überwachung

Diese und alle anderen Einsatzgebiete von Gleitlagern sind sehr stark abhängig von:

• den Reibungszuständen
• hydrodynamischen oder hydrostatischen Gleitlagern
• dem Schmierstoff
• der des Gleitlagerwerkstoffes und dessen Paarung
• äußere Einflüsse

Was hier aber klar werden soll ist, dass Gleitlager nicht gleich Gleitlager für jeden Zweck sind.

                 Eine gewissenhafte Berechnung ist nicht zu umgehen!!! 

Was versteht man unter Reibungszustände?

Unter Reibungszuständen versteht man das Reibungsverhalten was mit dem Symbol μ bezeichnet wird.

1. μ hängt von der Oberflächenbeschaffenheit ab.

2. unterschieden werden: Festkörperreibung (μ sehr hoch und somit eine kurze Lebensdauer möglich; μ hat hier ca. einen wert von 0,3) und Flüssigkeitsreibung (μ sehr klein und somit ist eine lange Lebensdauer möglich; μ erreicht einen Wert von 0,005 bis 0,001.

Flüssigkeitsreibung tritt immer dann auf wenn ein Zwischenmedium zwischen Lagerschale und Lagerwelle ist, dies kann durch hydrodynamische oder hydrostatische Schmierung erzeugt werden.

Schmierstoffe / Zwischenmedien

Schmierstoffe sorgen für ein geringeres Reibungsverhalten und somit für eine längere Lebensdauer. An zweiter Stelle sorgen sie für eine Trennung von Lagerschale und Lagerwelle. (siehe hierzu hydrodynamische und hydrostatische Schmierung)

Kommen wir jetzt zu den Eigenschaften die ein Schmierstoff ausmacht und diese unterscheiden.

1. Viskosität (Zähigkeit)

2. wird die Temperatur des Schmierstoffes größer, sinkt die Viskosität (siehe RM TB 15-9)

3. bei steigendem Druck p (z.B. in bar), steigt die Viskosität

Als Schmierstoffe werden verwendet:

• Gase ¹

• Öle

• Fette

• Wasser

• Festschmierstoffe

• Magnetfelder ²

¹ Gas Gleitlager finden immer größerer Beliebtheit da es keinen störenden Schmierstoff gibt. Sie finden Anwendung in der Pharma-, Nahrungs- und Genussmittel-Industrie aber auch in der Raumfahrttechnik und bei Turbomaschinen.

² Magnetlager finden derzeitig Anwendung bei Werkzeug- und Turbomaschinen und in der Vakuumtechnik. Sie eignen sich vorzugsweise für

• berührungslosen Betrieb
• einstellbare Steifigkeit und Dämpfung
• hohe Drehzahlen bei mittlerer Traglast
• hohe Laufgenauigkeit

Als Ergänzung ist noch zu sagen das Trockenlager ohne Zwischenmedien (Schmierstoffen) arbeiten.

Lagerdichtungen

Damit die eben erwähnten Schmierstoffe nicht austreten benutzt man Lagerdichtungen. Ein anderer sehr wichtiger Grund für Lagerdichtungen ist, dass keine Fremdkörper in das Lager eindringen und die Funktion stören. Dies kann wie auch bei Wälzlagern schnell zur Zerstörung des Lagers führen. Es gibt berührende Dichtungen und berührungsfreie Dichtungen. Bei Gleitlagern werden oft berührungsfreie Dichtungen eingesetzt. Diese haben aber den Nachteil, dass sie eine Mindestdrehzahl brauchen um einen Schutz bieten zu können.

Unter diesem Link finden sie zwei sehr gute Animationen über Lagerdichtungen.

[http://www.prelon.de/animationen/index.html

Wahl von Gleitlagerwerkstoffen

Die Auswahl der Werkstoffpaarung ist bei Gleitlagern sehr wichtig.

Bei falscher Wahl kommst es schnell zu Beschädigungen an Welle und Lager.

Als Wellenwerkstoff werden meistens unlegierte Einsatzstähle verwendet und nur bei sehr großen Durchmessern Vergütungsstahl'.

Der Lagerwerkstoff wird je nach Einsatzgebiet ausgesucht. Dazu werden Tabellen (siehe unten) aufgezeigt.

Es kommen am häufigsten Nichteisenmetall-Legierungen vor, z.B. solche mit Kohle, Graphit und Kupfer, da sie eine sehr gute Gleiteigenschaft haben.

Hier sehen sie verschiedene Lagerwerkstoffe und eine kurze Beschreibung des Einsatzgebietes.

Fragen Allgemeiner Teil

1. Nenne die zwei Kriterien wonach man Gleitlager unterscheidet, und die Unterpunkte.
2. Nenne drei Vorteile von Gleitlagern.
3. Welche Reibungszustände gibt es?
4. Welchen Zweck erfüllt der Schmierstoff?
5. Wofür werden Lagerdichtungen eingebaut?
6. Bestimme aus dem Tabellenbuch (Roloff Matek) den Lagerwerkstoff für „geringe bis mäßige Belastung, ausreichende Schmierung".

ANTWORTEN: Datei:Fragen-Algemeiner-Teil.pdf

Hydrodynamische Schmierung

Hydrodynamische Gleitlager arbeiten nach dem Prinzip der internen Druckerzeugung, durch die Drehfrequenz (Drehzahl n) bildet sich ein tragender Schmierfilm zwischen Welle und Lager. Die Welle dreht sich nun im Mittelpunkt vom Lager.

Druckverteilung

• Die Druckverteilung hängt stark von der Drehzahl (n) ab
• Allgemein ist zu sagen das je größer die Drehzahl, desto größer auch der Druck
• Beim Anlaufen durchläuft das hydrodynamische Lager die Fest-, Misch- und Flüssigkeitsreibung und bleibt idealerweise im letzteren

Kurze Beschreibung der Bilder:

Bild 1: Die Welle hat keine Bewegung und liegt somit auf der Lagerschale.

Bild 2: Die Drehzahl der Welle ist zu klein und somit reicht der erzeugte Druck des Schmierstoffes nicht aus, um sie in die Mitte der Lagerschale zu drücken.

Bild 3: Die hohe Drehzahl und die Gewichtskraft F_G sorgen dafür, dass der Mittelpunkt der Welle nach links unten gedrückt wird.

Bild 4: Die Drehzahl passt genau auf die Gewichtskraft der Welle (Wunschzustand).

Reibungszahl

Mit diesem Bild möchte ich die Reibungszahl beim Anlaufen der Welle und beim Lauf mit unterschiedlichen

• mittleren Drücken P_L
• dynamischen Viskositäten η (von Schmierstoffen)

in Abhängigkeit von der Drehzahl n optisch zeigen.

η = dynamische Viskosität

P_L = mittlerer Lagerdruck

n = Drehzahl

Beim Anfahren berühren sich die Welle und die Lagerschale. Mit zunehmender Drehzahl wird der Schmierfilm tragfähig und das Gleitlager befindet sich im Übergangsbereich. In diesem Zustand 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. Beim Überschreiten einer bestimmten Drehfrequenz dreht sich die Welle zentrisch in der Lagerschale, wenn das geschieht ist die interne Druckerzeugung nicht mehr möglich und der tragende Schmierfilm ist nicht mehr vorhanden. Das Lager wird dann mit hoher Wahrscheinlichkeit zerstört.

Einführung Rechnen

Hier habe ich eine sehr übersichtliche Einführung in die zu berechnenden Größen für die hydrodynamische Schmierung. Mit dessen Hilfe können sie die folgende Übungsaufgabe rechnen.

Datei:Einführung Rechnen.pdf

Übungsaufgabe

Hier können sie eine Dimensionierung von einem Radiallager rechnerisch Prüfen und somit die Sicherheit für den Einbau und die Verwendung sicherstellen.

• Gleitlager: Lösung

Hydrostatische Schmierung

Bei hydrostatischen Gleitlagern muss zuerst ein Schmierfilm zwischen Lager und Welle erzeugt werden. Dies geschieht durch eine externe Pumpe. Das Zwischenmedium wird durch den Lagerspalt zugeführt. Die Pumpe drückt das Zwischenmedium über Einlasskanäle in Schmiertaschen (siehe Bild). Das Schmiermittel wird zwischen Lager und Welle gepresst und trennt diese durch einen dünnen Schmierfilm. Da wir durch den immer vorhandenen Schmierspalt (s) nur Flüssigkeitsreibung haben, ergibt sich eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer.

Einsatzgebiete

Hydrostatische Gleitlager werden eingestezt für:

• verschleißfreie und reinigungsarme Lager bei niedriger Drehzahl (z.B. große Antennen, Werkzeugmaschinen)

• verschleißfreie Präzisionslager

• niedrige Drehzahlen wo keine hydrodynamische Schmierung entstehen kann

Quelle

1. Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag , 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X , € 36,90.

1. Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung,Vieweg Verlag , 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, € 20,90.

1. Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag , ISBN 3-8085-1673-9, € 21,50

--Preuß 12:29, 8. Dez 2007 (CET)