Gleitlagertechnik Teil 2 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Auslegung, Konstruktion, Werkstoffwahl und Schmierung Mit 322 Bildern Autoren: Prof. Dr.-Ing.W.J.Bartz Prof. Dipl.-Ing. G. Basedow o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. K. Bauer Dipl.-Ing. B. Breunig Prof. Dr.-Ing. J. Fricke Prof. Dr.-Ing. J. Glienicke Dipl.-Ing. W. Hilgers Obering. H. Lamperski Dipl.-Ing. K. Lichtinghagen Dipl.-Ing. P. Lindeckert Dipl.-Ing. K.-R.Meis Prof. Dr. Ir. E.A. Muijderman Dr.-Ing. E. Schöpf Prof. Dr.-Ing. K. Spiegel o. Prof. Dr.-Ing. W. Steinhilper o. Prof. Dr.-Ing. M. Weck Kontakt & Studium Band 163 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum Dipl.-Ing. FH Elmar Wippler expertverlag, 7032 Sindelfingen
L Inhaltsverzeichnis 1. Grundlagen der Gleitlagertechnik Gestaltung von Lagerungen WJ. Bartz.1 1.2 Gleitlagertechnik 1.2.1 Aufgaben der Lagerung 1.2.2 Definitionen und Begriffe bei Gleitlagern 2.2.2.1 Gleitflächen und Gleitgeschwindigkeit 4.2.2.2 Lagerspiel und Gleitraum 5.2.2.3 Berührungsverhältnisse und Lagergeometrie 7.2.2.4 Kräfte und Drücke im Gleitlager 7.2.2.5 Reibung im Gleitlager 8.2.2.6 Wärmegleichgewicht im Gleitlager 9.2.3 Funktion der Gleitlager 9.2.3.1 Voraussetzungen für den Aufbau eines Tragfilmes 9.2.3.2 Hydrodynamischer Tragfilm 10.2.3.3 Hydrostatischer Tragfilm 17.2.3.4 Hydrostatische Axiallager mit hydrodynamischer Druckerzeugung 17.2.4 Gleitlager für besondere Aufgaben 18.2.4,1 Gleitlager für hohe Gleitgeschwindigkeiten bei niedrigen Belastungen 20 1.2.4.2 Gleitlager für niedrige Gleitgeschwindigkeit bei hohen Belastungen 20 1.2.4.3 Gleitlager für instationären Betrieb 21 1.2.4.4 Gleitlager mit hoher Führungsgenauigkeit bei wechselnden Drehzahlen 21 1.3 Berechnung hydrodynamischer Radialgleitlager 22 1.3.1 Auswahl des Lagertyps 23 1.3.2 Betriebspunkt des Gleitlagers 24 1.3.3 Berechnung des Lagers 24 1.4 Konstruktionshinweise zur Gestaltung von Gleitlagerungen 26 1.4.1 Generelle Zusammenhänge 26 1.4.2 Gestaltung und Anordnung der Gleitflächen 26 1.4.3 Vorkehrungen gegen Verkantungen 26 1.4.4 Schmiernuten, Schmierstoffzuführung und-ableitung 27 1.4.5 Abdichtung des Schmierstoff Stroms 30 1.4.6 Anpassung der Lagerform an die Abstützungsmöglichkeiten 30
1.4.7 Festlegung der axialen Wellenlage 1.4.8 Forderungen der Montage und Fertigung 1.5 Zusammenfassung 35 35 38 2. Optimierung hydrodynamisch geschmierter Radial-Gleitlager durch konstruktive Maßnahmen P. Lindeckert 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.1.3 2.4.2 2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.2.3 2.4.2.4 2.5 Berechnungsgrundlagen Forderungen an die konstruktive Ausführung Maßnahmen zur Verwirklichung der Anforderungen und der Berechnungsgrundlagen Auswahlkriterien zur Anpassung an das Lagerproblem Gleitlagertyp Schmierstoff Werkstoff Konstruktive Gestaltung Allgemeine Hinweise Fertigungstoleranzen und kleinste Schmierspalthöhe?chmierstoffversorgung und Dichtungen Lagersteifigkeit Zusammenfassung 41 42 46 47 47 50 51 51 54 54 58 61 64 68 3. Optimierung hydrodynamisch geschmierter Axial-Gleitlager durch konstruktive Maßnahmen W. Steinhilper 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.4.3 Grundlagen der Berechnung Gesetzmäßigkeiten Annahmen zur Vereinfachung Vereinfachte Berechnungsgleichungen Einflußder Konstruktion Allgemeines Hydrodynamische Vollschmierung Schmierstoffzu- und -abfuhr Geometrie, Neigung und Schrägstellung der Gleitflächen Allgemeines Eingearbeitete Keilflächen Selbsttätig sich einstellende Keilflächen 71 72 72 73 74 75 75 76 77 81 81 81 84
3.3.5 Schrägstellung der Welle 89 3.4 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen 92 4. Berechnung und Auslegung von hydrodynamischen Axialgleitlagern J. Fricke 4.1 95 4.2 Bezeichnungen 95 4.3 Spaltgeometrie und Bauformen 97 4.4 Belastungsverlauf Einfluß auf die Wahl von Bauart und Auslegung 98 4.5 Grenzen der Betriebssicherheit 100 4.6 Grundlagen für die Berechnung von Tragfähigkeit, Reibung und Öldurchfluß 100 4.7 Ölfilmtemperatur und Ölviskosität 102 4.7.1 Wärmeabfuhr durch natürliche Kühlung 102 4.7.2 Wärmeabfuhr durch Umlaufschmierung 103 4.8 Einfluß von Verformungen 105 4.9 Rechnungsgang 107 4.10 Berechnungsbeispiele 110 4.10.1 Lager mit kippbeweglichen Gleitschuhen 110 4.10.2 Lager mit eingearbeiteten Keilflächen 113 4.11 Zusammenfassung 115 5. Die Sicherheitskennzahl eine Kenngröße für die optimale Auslegung von Gleitlagern K. Bauer 5.1 5.2 5.2.1 5.2.1.1 5.2.1.2 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 Voraussetzungen Voraussetzungen für die geometrische Form des Schmierspaltes Radiallager Axiallager Voraussetzungen für den Schmierstoff Reibungsverhalten von Geitlagern Gesetzmäßigkeiten Betriebsbereich des Gleitlagers Übergangsdrehzahl Ergebnisse der hydrodynamischen Theorie der Schmierstoff reibung 119 120 120 121 122 122
5.4.1 5.4.2 5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.7 5.8 5.9 5.9.1 5.9.2 5.10 5.11 5.12 5.12.1 5.12.2 Radiallager 122 Axiallager 123 Sicherheitskennzahl 123 Lagerkennlinien 125 Radiallager 125 Axiallager 126 Einfluß der spezifischen Wärme auf die Lagererwärmung 127 Schmierspalt-Deformationen 129 Wärmeabfuhr durch Umlaufschmierung 134 Allgemeine Hinweise 134 Lagertemperatur 135 Anhaltswerte für die Bemessung von Axiallagern 137 Zusammenfassung 137 Berechnungsbeispiele 139 Halbumschließende Radiallager 139 Axiallager mit kippelig gelagerten Tragsegmenten 145 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Kurbelwellenlager und Pleuellager für Verbrennungsmotoren E. Schöpf Konstruktiver Aufbau Lagerschalenpreßsitz Lagerwerkstoffe Lagerspiel Schmieröl führung Besonderheiten bei der hydrodynamischen Berechnung Schlußbemerkung 153 154 154 165 166 168 170 177 7. Mehrflächen-Gleitlager - Besonderheiten bei der Lagerung schnell drehender Rotoren H. Lamperski 7.1 Begründung für den Einsatz von Mehrflächen-Gleitlagern 181 7.2 Geometrie der Zwei-und Vierflächenbohrung 184 7.2.1 Grundlegende Zusammenhänge 184 7.2.2 Grundspiel 187 7.2.3 Gleitflächenspiel 189 7.2.4 Spielverhältnis 190 7.2.5 Maximale Rotorbeweglichkeit 190 7.3 Hinweise zur Berechnung von Lagern mit Mehrflächenbohrung 191
7.4 Vergleich der Ergebnisse mit jenen für eine zylindrische Bohrung 194 7.5 Hinweise auf das Laufverhalten des Rotors 199 7.6 Zusammenfassung 200 8. Folienlager (Aerodynamische Federlager) J. Glienicke und B. Breunig 8.1 in die Problemstellung 203 8.2 Statische und dynamische Lagerkennlinien 204 8.2.1 Grundlegende Zusammenhänge 204 8.2.2 Ersatzmodelle 205 8.2.3 Schmierfilm-Eigenschaften 206 8.2.4 Steifigkeit und Dämpfung der äußeren Segmentabstützung 208 8.2.5 Kennlinien der Gesamtlager 208 8.3 Dynamik hochtouriger Rotoren mit aerodynamischen Federlagern 212 8.3.1 Charakteristisches Schwingungsverhalten 212 8.3.2 Unwuchtschwingungen 213 8.3.3 Systemdämpfung 215 8.4 Verschleißverhalten im Anfahrbereich 216 8.5 Zusammenfassung 216 9. Berechnung und Auslegung hydrostatischer Großlager G. Basedow 9.1 und Abgrenzung 217 9.2 Funktionsprinzip 217 9.3 Berechnung 219 9.3.1 Abkürzungen und Einheiten 219 9.3.2 Voraussetzungen 220 9.3.2.1 Grundlagen 220 9.3.2.2 Eigenschaften des Schmierstoffs 221 9.3.2.3 Strömungsvorgänge 222 9.3.3 Verhältnisse im ruhenden Spalt 222 9.3.4 Verlustleistung 224 9.3.4.1 Pumpenleistung 224 9.3.4.2 Reibleistung 224 9.3.4.3 Gesamtleistung 225 9.4 Schmierstoffzuteilung 226 9.4.1 Grundlegende Zusammenhänge 226 9.4.2 Mengenteiler 226
9.4.3 9.4.4 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 9.7 Konstantdrosseln Veränderbare Drosseln Ausführungen Stützquellenlager Radialsegmentlager Hydrostatisches Anheben Zusammenfassung 227 228 230 230 232 233 233 10. Hydrostatische Führungen und Lager in Werkzeugmaschinen M.Weck 10.1 10.2 10.2.1 10.2.1.1 10.2.1.2 10.2.2 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.4 10.5 10.6 Einfuhrung Hydrostatische Führungen Auslegung Systeme ohne Umgriff Systeme mit Umgriff Ausführungen Hydrostatische Lager Bauformen Auslegung Ausführungen Verlustleistung Zusammenfassung Verwendete Kurzzeichen 235 237 237 237 241 245 251 251 251 255 257 259 260 11. 11.1 11.2 11.2.1 11.2.? 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.3 11.4 11.5 11.5.1 11.5.2 11.6 11.6.1 Fettgeschmierte Gleitlager WJ.Bartz Abgrenzung zwischen Öl- und Fettschmierung Grundsätzliches Geschwindigkeit Konstruktion Besondere Anforderungen Gesichtspunkte für Fettschmierung Lagerspiel bei Fettschmierung Schmierfettauswahl Schmierfettmenge und Schmierungsintervalle Schmierfettmenge Schmierungsintervalle Verhalten von Gleitlagern bei Fettschmierung Tragfähigkeit 263 263 263 264 266 266 266 266 267 270 270 271 271 271
11.6.2 Reibung 274 11.6.3 Lagertemperatur 274 11.6.4 Schmierfettverbrauch 275 11.7 Berechnung von Gleitlagern bei Fettschmierung 280 11.7.1 Theoretische Grundlagen 280 11.7.1.1 Allgemeine Hinweise 280 11.7.1.2 Fließverhalten von Schmierfetten 280 11.7.1.3 Sommerfeldzahl bei Fettschmierung 282 11.7.1.4 Reibungszahl und Reibungsleistung 283 11.7.1.5 Tragfähigkeit 284 11.7.1.6 Lagertemperatur 285 11.7.2 Berechnungsgang 285 11.7.2.1 Allgemeine Hinweise 285 11.7.2.2 Bemessung des relativen Lagerspiels 285 11.7.2.3 Verlustleistung 286 11.7.2.4 Lagertemperatur 286 11.7.2.5 Tragfähigkeit 286 11.7.2.6 Schmierfettverbrauch 287 11.7.2.7 Ablaufplan der Berechnung 288 11.8 Zusammenfassung 289 12. Berechnung von fettgeschmierten Radialgleitlagern K. Spiegel, J. Fricke u. K,-R. Meis 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 Verwendete Bezeichnungen Fließverhalten von Fetten Lager mit Mangelschmierung: Tragfähigkeit, Reibung und Schmierstoffverbrauch Rechnungsgang Zusammenfassung 291 292 293 297 302 310 13. Fettgeschmierte Spiralrillenlager neue hydrodynamische Gleitlager E.A. Muijderman 13.1 in die Problematik 317 13.2 Erläuterung der Problemstellung 318 13.3 Spiralrillenlager eine mögliche Lösung 320 13.4 Fettgeschmierte Spiralrillenlager 320 13.5 Eigenschaften des Schmierfettes 321 13.6 Neuere Massenanwendung fettgeschmierter Spiralrillenlager 321
13.7 Rechenbeispiel 1: Radiallager 325 13.8 Rechenbeispiel 2: Axiallager 328 13.9 Abschließende Bemerkungen zu den Rechenbeispielen 330 13.10 Globaler Vergleich unter den Aspekten für konventionelle, wartungsfreie Lager 330 13.11 Zusammenfassung 332 14. Selbstschmierende Chemiewerkstoffe für den technischen Einsatz K. Lichtinghagen 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.6.1 14.6.2 14.6.3 14.7 14.7.1 14.7.2 14.7.3 14.8 Werkstoffwahl unter Berücksichtigung von Belastung und Temperatur Berücksichtigung weiterer Bedingungen Trockenlauf Werkstoffentwicklungen zur Erfüllung bestimmter Anforderungen Polyimid und seine Anwendung Herstellung und Verarbeitung Werkstofftabelle zur Werkstoffauswahl Reibungs- und Verschleißverhalten Verarbeitung und Anwendung Toleranzen Gegenwerkstoff Feuchtigkeit sei nfluß Zusammenfassung 335 336 341 342 343 344 344 346 346 347 347 349 349 350 15. Beurteilung von Lagerschäden und ihre Ursachen W. Hilgers 15.1 15.2 15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.3 15.4 15.4.1 15.4.2 15.5 15.6 Herstellfehler Erkennung von Bindunsgfehlern Erkennung von Schmelz- und Gießfehlern Wasserstoff im Stahl Verschmutzung Verschleiß durch Mischreibung Grundlagen Fressen Überhitzung Ermüdung 351 351 352 358 364 368 372 372 373 376 376
15.6.1 Ermüdungsschäden 376 15.6.2 Dauerfestigkeit von Lagerwerkstoffen 384 15.7 Kavitationserosion 388 15.8 Tribochemische Reaktion, Korrosion 391 15.9 Elektroerosion 398 Literaturverzeichnis 403 Stichwortverzeichnis 411 Autoren dieses Buches 415