Gleitlager einer S-Motor- Lokomotive von 1906, dargestellt an Achse, Lager, Ölzufuhr und Ölschmierplatte
Ein Schiebetisch mit vier zylindrischen Lagern
Ein Radsatz eines Wagens der Great Western Railway (GWR), der ein Gleitlager bzw. Zapfenlagerende zeigt [ 1 ].

Ein Gleitlager , auch Gleitlager oder Gleitlager (im Eisenbahnwesen auch Volllager , Zapfenlager oder Reiblager genannt [ 2 ] ), ist die einfachste Lagerart . Es besteht nur aus einer Lagerfläche und keinen Wälzkörpern. Der mit dem Lager in Kontakt stehende Teil der Welle gleitet daher über die Lagerfläche. Das einfachste Beispiel für ein Gleitlager ist eine Welle, die sich in einer Bohrung dreht. Ein einfaches Linearlager kann aus zwei ebenen Flächen bestehen, die eine Bewegung ermöglichen, z. B. eine Schublade und die dazugehörigen Schienen [ 3 ] oder die Führungsbahnen im Bett einer Drehmaschine .

Gleitlager sind im Allgemeinen die kostengünstigste Lagerart. Sie sind außerdem kompakt und leicht und weisen eine hohe Tragfähigkeit auf. [ 4 ]

Design

Eine massive Hülsenbuchse
Eine Flanschbuchse​
Eine eingeklemmte (oder eingeklemmte ) Buchse

Die Konstruktion eines Gleitlagers hängt von der Art der Bewegung ab, die das Lager ausführen muss. Es gibt drei mögliche Bewegungsarten:

  • Gleitlager ( auch Radial- oder Drehlager genannt ) : Dies ist die gebräuchlichste Art von Gleitlager; es handelt sich im Prinzip um eine Welle, die sich in einer Bohrung dreht. [ 3 ] Es wird auch als Hülsenlager bezeichnet, insbesondere in Anwendungen, bei denen eine zylindrische Buchse die Welle stützt. [ 5 ] Im Lokomotiv- und Waggonbau bezeichnete der Begriff „Gleitlager“ speziell die Gleitlager, die früher an den Enden der Achsen von Radsätzen verwendet und von Achslagern ( auch Zapfenlager genannt) umschlossen wurden . [ 1 ] [ 6 ] Heutzutage sind Achslager Wälzlager und keine Gleitlager mehr. [ 7 ]
  • Linearführung : Diese Führung ermöglicht eine lineare Bewegung; sie kann die Form eines kreisförmigen Lagers mit Welle oder zweier anderer zusammenpassender Flächen (z. B. einer Gleitplatte ) aufweisen. [ 3 ]
  • Axiallager : Ein Axiallager bietet eine Lagerfläche für Kräfte, die axial auf die Welle wirken. [ 3 ] Ein Beispiel ist eine Propellerwelle.

Integral

Ein integriertes Gleitlager wird als Bohrung in der Lagerfläche in das Gebrauchsobjekt eingebaut. Industrielle Integrallager bestehen üblicherweise aus Gusseisen oder Weißmetall , und im Lager wird eine gehärtete Stahlwelle verwendet. [ 8 ]

Integrale Lager sind weniger verbreitet, da Buchsen einfacher zu montieren und bei Bedarf auszutauschen sind. [ 3 ] Je nach Material kann ein integriertes Lager zwar günstiger sein, ist aber nicht austauschbar. Verschleißt ein integriertes Lager, kann das Bauteil ersetzt oder so umgearbeitet werden, dass es eine Buchse aufnehmen kann. Integrale Lager waren im Maschinenbau des 19. Jahrhunderts weit verbreitet, wurden aber mit der zunehmenden Verbreitung von austauschbaren Bauteilen immer seltener .

Ein gängiges Beispiel für ein integriertes Gleitlager ist das Türscharnier , das sowohl ein Axiallager als auch ein Zapfenlager ist.

Buchse

Eine Buchse , auch Gleitlager genannt , ist ein eigenständiges Gleitlager, das in ein Gehäuse eingesetzt wird, um eine Lagerfläche für Drehbewegungen zu bilden; dies ist die gebräuchlichste Form eines Gleitlagers. [ 9 ] Gängige Ausführungen sind Vollbuchsen ( Hülsen- und Flanschbuchsen ), geteilte Buchsen und Klemmbuchsen . Eine Hülsen-, geteilte oder Klemmbuchse besteht lediglich aus einer Hülse mit einem Innendurchmesser (ID), einem Außendurchmesser (AD) und einer bestimmten Länge. Der Unterschied zwischen den drei Typen liegt darin, dass eine Vollbuchse vollständig massiv ist, eine geteilte Buchse einen Längsschnitt aufweist und eine Klemmbuchse einer geteilten Buchse ähnelt, jedoch durch eine Klemmung (oder Klemmung ) die Teile entlang des Schnitts verbindet. Eine Flanschbuchse ist eine Hülsenbuchse mit einem Flansch an einem Ende, der sich radial vom AD nach außen erstreckt. Der Flansch dient der sicheren Positionierung der Buchse beim Einbau oder der Bereitstellung einer Axiallagerfläche. [ 10 ]

Gleitlager mit Zollabmessungen werden fast ausschließlich nach dem SAE- Nummerierungssystem dimensioniert. Dieses System verwendet das Format -XXYY-ZZ, wobei XX den Innendurchmesser (ID) in Sechzehntel Zoll, YY den Außendurchmesser (OD) in Sechzehntel Zoll und ZZ die Länge in Achtel Zoll angibt. [ 11 ] Es gibt auch metrische Größen. [ 12 ]

Eine Linearbuchse wird üblicherweise nicht in ein Gehäuse eingepresst, sondern radial gesichert. Beispiele hierfür sind zwei Sicherungsringe oder ein Ring, der auf den Außendurchmesser der Buchse angeformt ist und in eine Nut im Gehäuse passt. Dies ist in der Regel eine dauerhaftere Befestigungsmethode, da die auf die Buchse wirkenden Kräfte sie sonst herausdrücken könnten. Flanschbuchsen sind für eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber radialen und axialen Belastungen ausgelegt. [ 13 ]

Die Druckform einer Buchse wird üblicherweise alsAnlaufscheibe .

Zweiteiler

Zweiteilige Gleitlager, in der Industriemaschinentechnik auch als Volllager bekannt [ 14 ], werden häufig für größere Durchmesser, wie z. B. Kurbelwellenlager, eingesetzt . Die beiden Hälften werden als Lagerschalen bezeichnet . [ 15 ] Zur Fixierung der Lagerschalen gibt es verschiedene Systeme. Am häufigsten wird eine Lasche an der Trennkante verwendet , die mit einer Aussparung im Gehäuse korrespondiert und so axiale Bewegungen nach der Montage verhindert. Bei großen, dicken Lagerschalen kommt ein Anschlagknopf oder ein Passstift zum Einsatz. Der Anschlagknopf wird mit dem Gehäuse verschraubt, während der Passstift die beiden Lagerschalen miteinander verbindet. Eine weitere, weniger gebräuchliche Methode verwendet einen Passstift, der die Lagerschale durch eine Bohrung oder einen Schlitz in der Lagerschale mit dem Gehäuse verbindet. [ 16 ]

Der Abstand zwischen den Trennkanten ist etwas größer als der entsprechende Abstand im Gehäuse, sodass für den Einbau des Lagers nur geringer Druck erforderlich ist. Dadurch wird das Lager beim Zusammenbau der beiden Gehäusehälften fixiert. Zudem ist der Umfang des Lagergehäuses etwas größer als der des Gehäuses, sodass das Lager beim Verschrauben der beiden Hälften leicht zusammengedrückt wird . Dies erzeugt eine hohe Radialkraft um das gesamte Lager herum, die ein Verdrehen verhindert . Außerdem bildet sich eine gute Schnittstelle für die Wärmeabfuhr vom Lager in das Gehäuse. [ 15 ]

Materialien

Zweikomponenten-Buchsen: eine Metallaußenseite mit einer inneren Kunststoffbeschichtung
Eine mit Graphit gefüllte Nutbuchse

Gleitlager müssen aus einem Material gefertigt sein, das langlebig, reibungsarm , verschleißarm (sowohl an Lager als auch an Welle), temperaturbeständig und korrosionsbeständig ist . Oft besteht das Lager aus mindestens zwei Komponenten, von denen eine weich und die andere hart ist. Die harte Komponente trägt die Last, während die weiche Komponente die harte Komponente schmiert . Im Allgemeinen gilt: Je härter die Kontaktflächen sind, desto niedriger ist der Reibungskoeffizient und desto höher ist der Druck, der erforderlich ist, damit es bei Schmierungsversagen zu Fressen oder Festfressen kommt. [ 9 ] [ 17 ]

Babbitt

Babbitt wird üblicherweise in Integrallagern verwendet. Es wird über die Bohrung aufgetragen, in der Regel mit einer Dicke von 0,25 bis 2,5  mm (9,8 bis 98,4 Tausendstel Zoll ), abhängig vom Durchmesser. Babbitt besteht aus einem weichen Material im Vergleich zum Werkstoff des Zapfens oder der rotierenden Welle. Babbittlager sind so konstruiert, dass sie den Zapfen bei direktem Kontakt nicht beschädigen und Verunreinigungen im Schmierstoff auffangen. [ 14 ]

Bi-Material

Bimetalllager bestehen aus zwei Materialien: einem Metallgehäuse und einer Kunststoff-Gleitfläche. Gängige Kombinationen sind beispielsweise eine stahlverstärkte, PTFE- beschichtete Bronze-Gleitfläche und eine aluminiumverstärkte Frelon-Gleitfläche . [ 18 ] Stahlverstärkte, PTFE-beschichtete Bronze-Gleitflächen sind für höhere Belastungen ausgelegt als die meisten anderen Bimetalllager und werden für Dreh- und Schwingbewegungen eingesetzt. Aluminiumverstärkte Frelon-Gleitflächen werden aufgrund der chemischen Inertheit des Materials häufig in korrosiven Umgebungen verwendet . [ 19 ]

Lagereigenschaften verschiedener Bimetalllager [ 19 ]
Typ Temperaturbereich P (max.) [ (MPa) psi ] V (max.) [m/s ( sfm )] PV (max.) [MPa m/s (psi sfm)]
Stahlverstärkte, PTFE-beschichtete Bronze −200–280 °C oder −328–536 °F 248 MPa oder 36.000 psi 2,0 m/s (390) 1,8 MPa m/s (51.000)
Aluminiumbeschichtetes Frelon −240–204 °C oder −400–400 °F 21 MPa oder 3.000 psi 1,5 m/s (300) 0,70 MPa m/s (20.000)

Bronze

Eine gängige Gleitlagerkonstruktion verwendet eine gehärtete und polierte Stahlwelle und eine weichere Bronzebuchse . Die Buchse wird ausgetauscht, sobald sie zu stark verschlissen ist.

Gängige Bronzelegierungen für Lager sind: SAE 841 , SAE 660 ( CDA 932 ), SAE 863 und CDA 954. [ 20 ]

Lagereigenschaften verschiedener Bronzelegierungen [ 20 ]
Typ Temperaturbereich P (max.) [ MPa (psi) ] V (max.) [m/s ( sfm )] PV (max.) [MPa m/s (psi sfm)]
SAE 841 −12–104 °C (10–220 °F) 14 MPa (2.000 psi) 6,1 m/s (1.200) 1,75 MPa m/s (50.000)
SAE 660 −12–232 °C (10–450 °F) 28 MPa (4.000 psi) 3,8 m/s (750) 2,6 MPa m/s (75.000)
SAE 863 −12–104 °C (10–220 °F) 28 MPa (4.000 psi) 1,14 m/s (225) 1,23 MPa m/s (35.000)
CDA 954 Weniger als 260 °C (500 °F) 31 MPa (4.500 psi) 1,14 m/s (225) 4,38 MPa m/s (125.000)

Gusseisen

Ein Gusseisenlager kann mit einer gehärteten Stahlwelle verwendet werden, da der Reibungskoeffizient relativ niedrig ist. Das Gusseisen verglast, wodurch der Verschleiß vernachlässigbar wird. [ 21 ]

Graphit

In anspruchsvollen Umgebungen wie Öfen und Trocknern kommt eine Kupfer - Graphit- Legierung zum Einsatz, die unter dem Markennamen Graphalloy bekannt ist . Graphit dient als Trockenschmierstoff und sorgt daher für geringe Reibung und Wartungsaufwand. Kupfer erhöht die Festigkeit und Haltbarkeit und verbessert die Wärmeableitung.

Lagereigenschaften von Graphitmaterialien
Typ Temperaturbereich P (max.) [ MPa (psi) ] V (max.) m/s ([ sfm )] PV (max.) [MPa m/s (psi sfm)]
Graphalloy [ 19 ]−268–399 °C oder −450–750 °F [ 22 ]5 MPa oder 750 psi 0,38 m/s (75)0,42 MPa m/s (12.000)
Graphit ? ? ? ?

Lager aus unlegiertem Graphit werden in speziellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise an Orten, die unter Wasser stehen. [ 23 ]

Juwelen

Diese Lager, auch als Steinlager bekannt , verwenden Edelsteine ​​wie Saphir , Rubin und Granat . Steinlager kommen in Präzisionsinstrumenten zum Einsatz, bei denen geringe Reibung, lange Lebensdauer und Maßgenauigkeit wichtig sind. Ihr Haupteinsatzgebiet sind mechanische Uhren.

Plastik

Drehgestelle vom Typ Archbar mit Gleitlagern in Gleitlagern , wie sie bei einigen Dampflokomotivtendern verwendet wurden. Eine Variante des Archbar-Drehgestells kam zeitweise auch bei US- Güterwagen zum Einsatz .
Diagramm eines Eisenbahnjournalkastens [ 1 ]

Gleitlager aus Vollkunststoff erfreuen sich aufgrund ihres trockenlauffähigen, schmierungsfreien Betriebsverhaltens zunehmender Beliebtheit. Sie sind leicht, korrosionsbeständig und wartungsfrei. Nach jahrzehntelanger Forschung ist heute eine präzise Berechnung der Lebensdauer von Polymergleitlagern möglich. Die Konstruktion von Gleitlagern aus Vollkunststoff wird jedoch durch den großen Bereich und die Nichtlinearität des Wärmeausdehnungskoeffizienten erschwert . Diese Werkstoffe können sich bei Anwendungen außerhalb der empfohlenen pV-Grenzwerte schnell erhitzen.

Vollpolymer-Lager sind in ihrer Formgebung durch das Spritzgussverfahren eingeschränkt . Kunststofflager unterliegen denselben Konstruktionsbeschränkungen wie alle anderen Kunststoffteile: Kriechen, hohe Wärmeausdehnung, Erweichung (erhöhter Verschleiß/reduzierte Lebensdauer) bei hohen Temperaturen, Sprödbruch bei niedrigen Temperaturen und Quellung durch Feuchtigkeitsaufnahme. Obwohl die meisten für Lager geeigneten Kunststoffe/Polymere so konstruiert sind, dass diese Konstruktionsbeschränkungen minimiert werden, bestehen sie dennoch und sollten vor der Auswahl eines Vollpolymer-Lagers sorgfältig berücksichtigt werden.

Kunststofflager sind heute weit verbreitet und werden unter anderem in Kopiergeräten , Kassensystemen , Landmaschinen , Textilmaschinen, Medizingeräten , Lebensmittel- und Verpackungsmaschinen, Autositzen und Schiffsausrüstung eingesetzt.

Gängige Kunststoffe sind Nylon , Polyacetal , Polytetrafluorethylen (PTFE), ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE), Rulon , PEEK , Urethan und Vespel (ein Hochleistungspolyimid ) . [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

Lagereigenschaften verschiedener Kunststoffe [ 24 ] [ 25 ] [ 27 ]
Typ Temperaturbereich P (max.) [ MPa ( psi )] V (max.) [ m/s ( sfm )] PV (max.) [MPa m/s (psi sfm)]
Frelon [ 28 ]−240 bis 260 °C (−400 bis 500 °F) [ 29 ]10 MPa (1.500 psi) 0,71 m/s (140) 0,35 MPa m/s (10.000)
Nylon −29 bis 121 °C (−20 bis 250 °F) 3 MPa (400 psi) 1,83 m/s (360) 0,11 MPa m/s (3.000)
MDS-gefüllte Nylonmischung 1* −40 bis 80 °C (−40 bis 176 °F) 14 MPa (2.000 psi) 2,0 m/s (393) 0,12 MPa m/s (3400)
MDS-gefüllte Nylonmischung 2* −40 bis 110 °C (−40 bis 230 °F) 2 MPa (300 psi) 0,30 m/s (60)0,11 MPa m/s (3.000)
PEEK-Mischung 1** −100 bis 249 °C (−148 bis 480 °F) 59 MPa (8.500 psi) 2,0 m/s (400)0,12 MPa m/s (3.500)
PEEK-Mischung 2** −100 bis 249 °C (−148 bis 480 °F) 150 MPa (21.750 psi) 1,50 m/s (295)1,32 MPa m/s (37.700)
Polyacetal −29 bis 82 °C (−20 bis 180 °F) 7 MPa (1.000 psi) 5 m/s (100)0,09 MPa m/s (2.700)
PTFE −212 bis 260 °C (−350 bis 500 °F) 3 MPa (500 psi) 0,5 m/s (100)0,04 MPa m/s (1.000)
Glasfaserverstärktes PTFE −212 bis 260 °C (−350 bis 500 °F) 7 MPa (1.000 psi) 2,0 m/s (400)0,39 MPa m/s (11.000)
Rulon 641 −240 bis 288 °C (−400 bis 550 °F) 7 MPa (1.000 psi) 2,0 m/s (400)0,35 MPa m/s (10.000) [ 30 ]
Rulon J −240 bis 288 °C (−400 bis 550 °F) 5 MPa (750 psi) 2,0 m/s (400)0,26 MPa m/s (7.500)
Rulon LR −240 bis 288 °C (−400 bis 550 °F) 7 MPa (1.000 psi) 2,0 m/s (400)0,35 MPa m/s (10.000)
UHMWPE −129 bis 82 °C (−200 bis 180 °F) 7 MPa (1.000 psi) 0,5 m/s (100)0,07 MPa m/s (2.000)
MDS-gefülltes Urethan* −40 bis 82 °C (−40 bis 180 °F) 5 MPa (700 psi) 1,00 m/s (200)0,39 MPa m/s (11.000)
Vespel −240 bis 288 °C (−400 bis 550 °F) 34 MPa (4.900 psi) 15,2 m/s (3.000)10,5 MPa m/s (300.000)

Andere

  • Igus, iglidur [ 31 ] : Speziell entwickelte Polymerlagerwerkstoffe mit Lebensdauervorhersage
  • Keramische Lager sind sehr hart, daher werden Sand und andere Partikel, die in das Lager gelangen, einfach zu einem feinen Pulver vermahlen, das die Funktion des Lagers nicht beeinträchtigt.
  • Lubrite [ 32 ]
  • Pockholz ist ein selbstschmierendes Holz und sorgt in Uhren für eine extrem lange Lebensdauer. Es wird auch zusammen mit Bronzerädern in der Schiffsrigging verwendet.
  • Bei einem Klavier sind verschiedene (meist) hölzerne Teile der Tastatur und der Mechanik durch Mittelstifte, typischerweise aus Neusilber, miteinander verbunden . Diese Verbindungen sind üblicherweise mit Filz oder seltener mit Lederbuchsen versehen .
  • Aluminiumlegierungen können für Anwendungen mit geringer Belastung eingesetzt werden [ 33 ] [ 34 ].

Schmierung

Eine schematische Darstellung eines Gleitlagers unter hydrodynamischer Schmierung, die zeigt, wie sich die Zapfenmittellinie von der Lagermittellinie verschiebt.

Die Arten von Schmiersystemen können in drei Gruppen eingeteilt werden: [ 11 ]

  • Klasse I : Lager, die die Zufuhr eines Schmierstoffs aus einer externen Quelle erfordern (z. B. Öl, Fett usw.).
  • Klasse II : Lager, die ein Schmiermittel innerhalb der Lagerwände enthalten (z. B. Bronze, Graphit usw.). Typischerweise benötigen diese Lager ein externes Schmiermittel, um ihre maximale Leistung zu erreichen.
  • Klasse III : Lager, deren Material das Schmiermittel selbst ist. Diese Lager gelten typischerweise als „selbstschmierend“ und können ohne externes Schmiermittel betrieben werden.

Beispiele für den zweiten Lagertyp sind Öllager und Kunststofflager aus Polyacetal ; Beispiele für den dritten Typ sind metallisierte Graphitlager und PTFE- Lager. [ 11 ]

Die meisten Gleitlager haben eine ebene Innenfläche; einige sind jedoch genutet , wie beispielsweise Spiralnutlager . Die Nuten erleichtern das Eindringen des Schmierstoffs in das Lager und sorgen dafür, dass der gesamte Zapfen bedeckt wird. [ 35 ]

Selbstschmierende Gleitlager enthalten ein Schmiermittel innerhalb der Lagerwände. Es gibt viele Arten von selbstschmierenden Lagern. Die erste und gebräuchlichste Art sind Sintermetalllager mit porösen Wänden. Diese porösen Wände saugen Öl durch Kapillarwirkung an [ 36 ] und geben es bei Druck- oder Wärmeeinwirkung wieder ab . [ 37 ] Ein Beispiel für ein Sintermetalllager in Aktion sind selbstschmierende Ketten , die im Betrieb keine zusätzliche Schmierung benötigen. Eine weitere Form ist eine einteilige Metallbuchse mit einer achtförmigen Nut im Innendurchmesser, die mit Graphit gefüllt ist. Ein ähnliches Lager ersetzt die achtförmige Nut durch mit Graphit verschlossene Löcher. Dadurch wird das Lager von innen und außen geschmiert. [ 38 ] Die letzte Form ist ein Kunststofflager, bei dem das Schmiermittel in das Lager eingegossen ist. Das Schmiermittel wird beim Einlaufen des Lagers freigesetzt . [ 39 ]

Es gibt drei Hauptarten der Schmierung: Vollschmierung , Grenzschmierung und Trockenschmierung . Bei Vollschmierung wird die Lagerlast ausschließlich von einem Schmierfilm getragen, und es besteht kein Kontakt zwischen den beiden Lagerflächen. Bei Misch- oder Grenzschmierung wird die Last teils durch direkten Oberflächenkontakt, teils durch einen sich zwischen den Oberflächen bildenden Schmierfilm getragen. Bei Trockenschmierung wird die gesamte Last durch direkten Oberflächenkontakt getragen.

Lager aus Wälzlagerwerkstoffen laufen stets trocken. Die beiden anderen Gleitlagerklassen können in allen drei Betriebszuständen betrieben werden. Der Betriebszustand hängt von den Betriebsbedingungen, der Belastung, der relativen Umfangsgeschwindigkeit, dem Lagerspiel, der Qualität und Menge des Schmierstoffs sowie der Temperatur (die die Schmierstoffviskosität beeinflusst) ab. Ist ein Gleitlager nicht für den Betrieb im Trockenlauf oder im Grenzzustand ausgelegt, weist es einen hohen Reibungskoeffizienten auf und verschleißt. Trockenlauf und Grenzzustände können auch bei flüssigkeitsgefüllten Lagern auftreten, wenn diese außerhalb ihrer normalen Betriebsbedingungen betrieben werden, z. B. beim Anfahren und Abschalten.

Flüssigkeitsschmierung

Ein Zitronen-Langweiler
Ein Druckdamm
Miba-Kippsegmentlager für Turbomaschinen

Die Flüssigkeitsschmierung führt zu einer Vollschmierung oder einer Grenzschmierung. Ein korrekt ausgelegtes Lagersystem reduziert die Reibung, indem es durch fluiddynamische Effekte den Oberflächenkontakt zwischen Zapfen und Lager verhindert .

Flüssigkeitslager können hydrostatisch oder hydrodynamisch geschmiert werden. Hydrostatisch geschmierte Lager werden durch eine externe Pumpe geschmiert , die einen konstanten Druck aufrechterhält . Bei hydrodynamischen Lagern wird der Druck im Ölfilm durch die Rotation des Zapfens aufrechterhalten. Hydrostatische Lager wechseln in den hydrodynamischen Zustand , sobald sich der Zapfen dreht. [ 14 ] Hydrostatische Lager verwenden üblicherweise Öl , während hydrodynamische Lager Öl oder Fett verwenden können . Lager können jedoch so konstruiert werden, dass sie mit jeder verfügbaren Flüssigkeit funktionieren, und einige Pumpenkonstruktionen nutzen die geförderte Flüssigkeit als Schmierstoff. [ 40 ]

Hydrodynamische Lager erfordern im Vergleich zu hydrostatischen Lagern eine sorgfältigere Konstruktion und einen höheren Betriebsaufwand. Sie sind zudem anfälliger für Anfangsverschleiß, da die Schmierung erst bei Rotation der Welle erfolgt. Bei niedrigen Drehzahlen kann die Schmierung keine vollständige Trennung zwischen Welle und Buchse erreichen. Daher können hydrodynamische Lager durch Sekundärlager unterstützt werden, die die Welle beim Anfahren und Anhalten stützen und so die präzise gefertigten Oberflächen des Gleitlagers schützen. Andererseits sind hydrodynamische Lager einfacher zu montieren und kostengünstiger. [ 41 ]

Im hydrodynamischen Zustand bildet sich ein Schmierkeil, der den Zapfen anhebt. Der Zapfen verschiebt sich zudem geringfügig horizontal in Drehrichtung. Die Zapfenlage wird durch den Anstellwinkel , den Winkel zwischen der Vertikalen und einer Geraden durch den Zapfen- und den Lagermittelpunkt, sowie das Exzentrizitätsverhältnis, das Verhältnis des Abstands des Zapfenmittelpunkts vom Lagermittelpunkt zum gesamten Radialspiel, bestimmt. Anstellwinkel und Exzentrizitätsverhältnis hängen von Drehrichtung, Drehzahl und Belastung ab. Bei hydrostatischen Lagern beeinflusst auch der Öldruck das Exzentrizitätsverhältnis. In elektromagnetischen Geräten wie Motoren können elektromagnetische Kräfte der Schwerkraft entgegenwirken und so ungewöhnliche Zapfenpositionen verursachen. [ 14 ]

Ein spezifischer Nachteil von flüssigkeitsgeschmierten, hydrodynamischen Gleitlagern in Hochgeschwindigkeitsmaschinen ist der Ölwirbel – eine selbsterregte Schwingung des Zapfens. Ölwirbel entsteht, wenn der Schmierkeil instabil wird: Kleine Störungen des Zapfens führen zu Reaktionskräften des Ölfilms, die weitere Bewegungen verursachen und sowohl den Ölfilm als auch den Zapfen in einen Wirbel um die Lagerschale versetzen. Typischerweise beträgt die Wirbelfrequenz etwa 42 % der Zapfendrehzahl. In Extremfällen führt der Ölwirbel zu direktem Kontakt zwischen Zapfen und Lager, was zu schnellem Lagerverschleiß führt. In manchen Fällen fällt die Frequenz des Wirbels mit der kritischen Drehzahl der Maschinenwelle zusammen und fixiert sich an dieser; dieser Zustand wird als „Ölpeitsche“ bezeichnet. Ölpeitsche kann sehr schädlich sein. [ 14 ] [ 42 ]

Ölwirbel lassen sich durch eine stabilisierende Kraft am Zapfen verhindern. Verschiedene Lagerkonstruktionen nutzen die Lagergeometrie, um entweder ein Hindernis für die Ölwirbel zu schaffen oder eine stabilisierende Last zur Minimierung der Wirbel zu erzeugen. Eine solche Konstruktion ist die sogenannte Zitronenbohrung oder elliptische Bohrung . Bei dieser Konstruktion werden Ausgleichsscheiben zwischen den beiden Hälften des Lagergehäuses eingesetzt und die Bohrung anschließend auf Maß bearbeitet. Nach dem Entfernen der Ausgleichsscheiben ähnelt die Bohrung einer Zitrone, wodurch das Lagerspiel in einer Richtung verringert und die Vorspannung in dieser Richtung erhöht wird. Der Nachteil dieser Konstruktion ist ihre geringere Tragfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gleitlagern. Auch sie ist bei hohen Drehzahlen anfällig für Ölwirbel, ihre Kosten sind jedoch relativ niedrig. [ 14 ]

Eine weitere Konstruktion ist der Druckdamm oder die Dammnut [ 43 ] , bei der sich in der Mitte des Lagers über der oberen Hälfte eine flache Entlastungsnut befindet. Die Nut endet abrupt, um eine nach unten gerichtete Kraft zur Stabilisierung des Zapfens zu erzeugen. Diese Konstruktion zeichnet sich durch eine hohe Belastbarkeit aus und behebt die meisten Ölwirbel. Der Nachteil besteht darin, dass sie nur in eine Richtung wirkt. Das Versetzen der Lagerhälften bewirkt dasselbe wie der Druckdamm. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Belastbarkeit mit zunehmendem Versatz steigt. [ 14 ]

Eine radikalere Bauweise ist die Kippsegmentkonstruktion , die mehrere Segmente verwendet, die sich mit wechselnden Lasten bewegen. Sie wird üblicherweise in sehr großen Anwendungen eingesetzt, findet aber auch in modernen Turbomaschinen breite Anwendung , da sie Ölwirbel nahezu vollständig eliminiert.

Ein frühes Stehlager mit einem Gleitlager aus Weißmetall

Weitere Komponenten, die häufig in Verbindung mit Gleitlagern verwendet werden, sind:

  • Stehlager : Hierbei handelt es sich um standardisierte Lageraufnahmen zur Aufnahme von Gleitlagern. Sie sind für die Montage auf einer ebenen Fläche ausgelegt.
  • Ringöler : Ein Schmiermechanismus, der in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts für Anwendungen mit mittleren Drehzahlen eingesetzt wurde.
  • Stopfbuchse : Ein Dichtungssystem, das verhindert, dass Flüssigkeit aus einem unter Druck stehenden System durch das Gleitlager austritt.

Siehe auch

  • Lagermodul  – Dimensionslose Kennzahl, die bei der Auslegung von Gleitlagern verwendet wird
  • Heißbox  – Überhitzung von Eisenbahnfahrzeugen
  • Plastigauge
  • Wälzlager  – Lasttragendes Lager mit Wälzkörpern und Wälzringen
  • Zapfenlager  – Einfaches Gleitlager

Referenzen

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Bibliographie