Gleitlager als moderne Maschinenelemente

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1 Gleitlager als moderne Maschinenelemente Teil A: Konstruktion, Werkstoffauswahl und Schmierung von Radiallagern Prof. Dr.-Ing. W. J. Bartz Dr. U. Engel Dr.-Ing. G. Hermes Dr. R. Kreutzer Dipl.-Ing. (FH) H. Mauser Prof. Dr.-Ing. G. Noack Prof. Dr.-Ing. H. Peeken Dr.-Ing. H. Rodermund Prof. Dr.-Ing. K. Spiegel Dr.-Ing. J. Theißen Mit 308 Bildern und 96 Literaturstellen Wiä Kontakt & Studium Band 400 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag expertlyöl vertag

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort 1 Grundlegende Zusammenhänge der Tribologie speziell für das Gleitlager 1 W. J. Bartz 1.1 Reibungszustände und ihre Bedeutung Kennzeichnung der Reibungszustände Einflüsse auf Reibung und Verschleiß Hydrodynamische Gleitlager Betriebspunkt und Tragfähigkeit Beeinflussung des Betriebspunktes Schlußfolgerungen 11 2 Kraftübertragung durch Lagerungen 13 W. J. Bartz 2.1 Belastungsarten Formen der Relativbewegung Gleiten und Wälzen Grundbewegungen zwischen Maschinenteilen Lagerbeispiele zur Übertragung der Grundbewegungen Kontinuierliche Relativbewegung Oszillierende Relativbewegung Einsatzgrenzen für die wichtigsten Lagertypen Etnsatzgrenzen bei Radiallagern Einsatzgrenzen bei Axiallagern Vergleich der Verhaltensweisen der wichtigsten Lagertypen Vergleichende Bewertung von Radiallagern Kontinuierliche Bewegung 25

3 Besondere Umgebungsverhältnisse 25 Besondere Anforderungen 25 Oszillierende Bewegung 28 Vergleichende Bewertung von Axiallagern 29 Besondere Umgebungsverhältnisse 29 Besondere Anforderungen 29 Auswahl einer Lagerung 32 Zusammenfassung 32 3 Tribologische Gesichtspunkte zur Wahl zwischen Gleit-und Wälzlagern 33 H. Rodermund 3.1 Einführung Anforderungen an ein Radiallager Die tribologischen Systeme von Gleit- und Wälzlagern Allgemeines Der Schmierspalt des Wälzlagers Der Schmierspalt des Gleitlagers Anwendungsgrenzen beider Lagerarten Gleitlager mit Mischreibung 44 4 Berechnung hydrodynamisch geschmierter Gleitlager dargestellt am Beispiel der Radiallager 47 G. Noack 4.1 Einführung Übersicht der wichtigsten Größen beim Radialgleitlager Grundlagen der hydrodynamischen Schmierung Grenzen der Betriebssicherheit eines Gleitlagers Allgemeine Zusammenhänge Die untere Betriebsgrenze Die obere Betriebsgrenze Ergebnisse der hydrodynamischen Schmierungstheorie Formeln zur Berechnung hydrodynamischer Radialgleitlager Tragfähigkeit und untere Betriebsgrenze Grundlegende Zusammenhänge Einfluß elastischer Spalterweiterung Die Reibung der Radialgleitlager Schmierstoffbedarf des Gleitlagers 59

4 4.7 Berechnungsverfahren für Radialgleitlager Vorgehensweise Berechnungsformulare und graphische Bestimmung der Lagertemperatur Aufbau des Berechnungsformulares Ermittlung des Lagerspieles Ermittlung der erforderlichen Mindestviskosität Ermittlung der Betriebstemperatur Ermittlung des optimalen Schmieröles Korrektur bei abweichenden Umgebungstemperaturen Rechnungsgang für So = Betriebsdaten Programmierte Rechnung mittels Digitalrechner Flußplan für den Programmablauf Näherungsfunktionen für die programmierte Rechnung Ermittlung des optimalen Viskositätsgrades Numerische Ermittlung der Lagertemperatur Zusammenfassung und Ausblick 76 5 Praxisnahe Gleitlagerberechnung nach heuttgem Kenntnisstand 77 H. Peeken 5.1 Einführung Grundlagen der Lagerberechnung Hydrodynamischer Tragvorgang Reibungszustände im Gleitlager Berechnung stationärer Radialgleitlager Berechnung der Lagertemperatur Lagerreibung Wärmeabfuhr durch Konvektion Wärmeabfuhr durch den Schmierstoff Erforderlicher Ölbedarf Das relative Lagerspiel Einfluß der Konstruktion auf die Gleitraumgestalt Schmierstoffversorgung Lagerwerkstoffe Zusammenfassung 95

5 6 Konstruktive Fragen des Gleitlagers unter Berücksichtigung der Schmierung 96 K. Spiegel 6.1 Hydrodynamischer und hydrostatischer Druckaufbau Reibung Auslegung von Gleitlagern Gestaltung des Gleitraums Tragfahigkeitsmindernde Deformation des Gleitraums Tragfähigkeitssteigernde Deformation des Gleitraums Mischreibung und Werkstoffeigenschaften Schmierstoffbedarf Allgemeines Mangelschmierung Vollschmierung und Druckschmierung Hydrostatische Schmierung Schmierstoffversorgung Hydrodynamische Lager: Gleitflächenunterteilung und Ölaustausch Erwärmung und Wärmeabfuhr Instabilitäten bei hohen Drehfrequenzen Hydrostatische Radiallager Ausnutzung der Quetschverdrängungswirkung Auslegung von Radialgleitlagern mit ölgekühlten Lagerbüchsen 135 J. Theißen 7.1 Einführung Grundlagen Lagergeometrie Schmieröleigenschaften Kennzahlen Physikalische Gesetze Thermohydrodynamische Näherungstheorie Lagertragkraft und -reibungsmoment Wärmestrombilanz für den Schmierspalt Mittlere Temperaturverteilung Wärmestrom durch die Lagerbohrungswand Schmierölvolumenstrom Schmierölseitenflußtemperatur Mittlere Lagertemperatur 148

6 Praktische Gleitlagerberechnung 149 Formelflußplan 149 Taschenrechnerprogramm 151 Berechnungsbeispiele 156 Gestaltung der Kühlkanäle 158 Wärmeabfuhrwiderstand 161 Kühlölförderleistung 163 Zusammenfassung 166 Einfluß von Verformungen auf Berechnung und Verhalten von Gleitlagern 168 H. Peeken Einführung 168 Verformung der Spaltgeometrie 169 Thermische Verformungen 169 Lager im Maschinenverbund 169 Experimentelle Untersuchungen 178 Schlußfolgerungen 186 Die Grenztragfähigkeit hochbelasteter hydrodynamischer Radialgleitlager 189 G. Hermes Einführung 189 Problemsteilung und Vorgehensweise 189 Experimentelle Bestimmung der Grenztragfähigkeit 191 Versuchsmethoden 197 Anwendung theoretischer Erkenntnisse zur Versuchsauswertung 201 Messung und Charakterisierung technischer Oberflächen 208 Untersuchungsergebnisse 213 Zusammenfassung 236 Hochleistungsfähige metallische Mehrschichtverbundwerkstoffe für Gleitlager 237 U. Engel, M. Steeg, E. Roemer Einleitung 237 Geschichtliche Entwicklung 237 Anforderungen an die Werkstoffe 238

7 Aufbau der Mehrschichtverbundwerkstoffe Herstellungsverfahren Gießptattieren Sinterplattieren Walzplattieren Zweischichtverbundwerkstoffe Stahl/Lagermetall auf Cu-Basis Gießplattiert Sinterplattiert Stahl/Lagermetall auf AI-Basis Dreischichtverbundwerkstoffe Mit galvanischen Gleitschichten Mit gesputterten Gleitschichten Mit besonderen Oberflächengeometrien Richtlinien für die Werkstoffauswahl und -anwendung Schmierstoffversorgung und Schmierölpflege 259 H. Mauser 11.1 öl-oder Fettschmierung Schmiereinrichtungen für Gleitlager Einzelschmierung Ölschmierung Fettschmierung Sinterlager Zentralschmierung Ölschmierung Fettschmieranlagen Geeignete Schmierfette für Zentralfettanlagen Mehr-Leitungssystem Ein-Leitungssystem Zwei-Leitungssystem Progressivsystem Ölnebelschmierung Schmierölpflege Veränderungen des Öles im Betrieb und Grenzwerte Ölalterung durch Oxidation Wirkstoffverbrauch Verunreinigung durch feste Fremdstoffe Wasser und andere flüssige Fremdstoffe Veränderungen der Viskosität von Ölen Ölreinigung Filtrieren 282

8 Separieren Ölwechsel Hinweise zur Altöl-Entsorgung Zusammenfassung Flüssige und konsistente Schmierstoffe für Gleitlager 284 H. Mauser S.6 Einführung 284 Normen 284 Flüssige Schmierstoffe 287 Mineralöle und verwandte Flüssigkeiten 287 Heutige Raffinationsmethoden für Grundöle 290 Konventionelle Solvat-Grundöle (HVI-Öle) 290 Konventionelle Syntheseöle (PAO-Öle) 290 Hydrocracköle nach der Shell XHVI-Synthese- Technologie 292 Synthetische und biologisch abbaubare Flüssigkeiten 292 Polyglykole 293 Esteröle 294 Phosphorsäure-Ester 294 Silikonöle 294 Polyalkylen-Glykole 294 Pflanzenöle (Rapsöl) 295 Physikalische Stoff-Eigenschaften 296 Allgemeine Hinweise 296 Viskosität 296 Viskositäts-Temperatur-Verhalten 297 Viskositäts-Druck-Verhalten 303 Dichte 304 Spezifische Wärme und Wärmeleitung 306 Mischungen von Mineralölen 308 Chemische Stoff-Eigenschaften 310 Oxidations-(Alterungs-) Stabilität 310 Thermische Stabilität 311 Grenzwerte für verschiedene Flüssigkeiten 312 Einfluß von Wirkstoffen (Additiven) 313 Viskositäts-Index-Verbesserer 313 Pourpoint-Verbesserer 313 Altemngs-Schutzstoffe 314 Korrosions-Schutzstoffe 314 Detergierstoffe 314 Schaumdämpfer 314

9 Polare Gleitverbesserer Hochdruckzusätze Konsistente Schmierstoffe Kennzeichnende Eigenschaften von Schmierfetten Grundöle und Eindicker Temperatur-Einsatzgrenzen für Fette Rheologisches Verhalten Prüfung ungebrauchter Schmierstoffe Zusammenfassung Schäden an Gleitlagern 323 R. Kreutzer Einführung 323 Schadenbeurteilung 323 Tendenzielle Entwicklung von Schadenursachen 328 Ursachen von betriebsbedingten Veränderungen und Schäden 334 Verschleiß (A 2) 334 Ölmangel (A3.1) 334 Olfehler aufgrund falscher Viskosität (A 3.2.1) 337 Olfehler aufgrund unverträglicher Schmierstoffe (A 3.2.2) 338 Olfehler aufgrund instabiler Additive (A 3.2.3) 338 Ölverschmutzung durch Feststoffe (A 3.3.1) 338 Ölverschmutzung durch Feststoffe {Spanwollebildung) IA 3.3.2) 34 0 Ölverschmutzung durch flüssige Fremdstoffe (A 3.3.3/3.3.4) 341 Ölverschmutzung durch Gase {A 3.3.5/3.3.6) 343 Statische Überlastung (A 4) 344 Dynamische Überlastung (A4.3) 351 Fremdeinwirkungen (A 5) 354 Ursachen von herstellungsbedingten Veränderungen und Schäden 362 Konstruktionsfehler (B 1) 362 Werkstoff- und Fertigungsfehler (B 2) 369 Montagefehler (B3) 373 Ursachen, die Folgeschäden aus A und B bedingen 377

10 14 Normen zur Gestaltung, Berechnung, Werkstoffwahl, Schmierung und Qualitätssicherung von Gleitlagern 378 Wilfried J. Banz 14.1 Einführung Gliederung der Gleitlagernormung Normen zur Technologie und Begriffsbestimmung Normen für Werkstoffe, Prüfung und Schmierstoffe Normen über konstruktive Gestaltung Normen über Qualitätssicherung Normen über Gleitlager-Berechnung VDt-und VDI/VDE-Richtlinien Ausblick 380 Literaturverzeichnis 419 Sachregister 424 Autorenverzeichnis 429