Hydrodynamisch geschmierte Lager gehören zu den wichtigsten Gleitlagern, da die vollständige flüssige Schmierung langfristig deren zuverlässiges Funktionieren praktisch ohne Verschleiß garantiert. Die Schmierschicht wird bei diesen Lagern durch den Effekt der relativen Bewegung der Gleitflächen gebildet. Diese Bewegung bewirkt durch den Einfluss der Haftung des Schmiermittels dessen Strömung in den Schmierspalt. In dem sich keilförmig verjüngenden Teil des Spalts entsteht eine tragende Schicht. In dieser Schicht bildet sich ein hydrodynamisches Druckfeld, dessen resultierende Kraft mit der Belastungskraft des Lagers im Gleichgewicht stehen muss. In der folgenden schematischen Abbildung eines Lagers ist ein hydrodynamisches Druckfeld zu sehen.
Bedeutung der verwendeten Variablen:
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d |
Zapfendurchmesser [mm] |
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D |
Durchmesser des Lager s [mm] |
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e |
Exzentrizität des Zapfens im Lager [μm] |
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F |
Belastungskraft [N] |
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h o |
Geringste Dicke der hydrodynamisch wirksamen Schmierschicht im Lagerbetrieb [μm] |
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L |
Lagerbreite [mm] |
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n |
Zapfendrehzahl [min -1 ] |
Die Dicke der Schmierschicht hängt von der Geschwindigkeit, mit der sich die Gleitflächen relativ zueinander bewegen (Drehzahl des Gleitzapfens), der Viskosität des Schmiermittels sowie der aktiven Belastungskraft ab. Da die Gleitflächen eines Maschinenbauteils nie vollständig glatt oder eben sind, gewährleistet deren Trennung und anschließende Schmierstoffreibung eine Schmierschicht mit einer bestimmten Mindestdicke, zu deren Bildung eine Mindestgleitgeschwindigkeit erforderlich ist. Wird diese Geschwindigkeit nicht erreicht, arbeitet das Lager mit maximaler Reibung.
Die Strömung in der hydrodynamisch tragenden Schicht ist bei den meisten Lagern laminar. Nur bei hoher Gleitgeschwindigkeit kann eine turbulente Strömung erzeugt werden. Bei hohen Zapfendrehzahlen kann zudem eine wirbelförmige Vibration mit der halben Frequenz der Drehzahl entstehen. Um derartige Zustände zu vermeiden, ist eine Lagerkontrolle erforderlich. Hierbei muss nicht nur die Mindestdrehzahl bei maximaler Reibung, sondern auch die maximale Drehzahlgrenze überprüft werden.
Die Berechnung für hydrodynamische radiale Gleitlager basiert auf der Reynolds-Gleichung unter Berücksichtigung der realen Konstruktion sowie den Betriebsbedingungen des Lagers. Bei der Lösung der Reynolds-Gleichung kommen zahlreiche Vereinfachungen zum Einsatz:
- Das Schmiermittel ist nicht komprimierbar. Die Fließgeschwindigkeit ist daher wesentlich niedriger als der herkömmliche Grenzwert.
- Die Strömung ist kontinuierlich, laminar und isothermisch. Das Schmiermittel weist immer und überall eine gleich bleibende Dichte, Viskosität und Temperatur auf.
- Die begrenzende Schmierschicht bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Gleitflächen.
- Die Schmierschicht ist sehr dünn, sodass die Auswirkungen ihrer Krümmung vernachlässigt werden können. Die Schicht kann daher mit einer gradlinigen Kalkulation berechnet werden.
- Die Schmierschicht ist vollständig mit einem Schmiermittel mit gleich bleibenden Eigenschaften gefüllt.
- Die Schwere und Trägheitskraft des Schmiermittels in der Schmierschicht sind zu vernachlässigen.
- Das Schmiermittel fließt nicht in Richtung der Schmierschichtdicke, da in diese Richtung ein kontinuierlicher Druck herrscht.
- Die Auswirkungen des Eingangsdrucks auf das Druckfeld des Schmiermittels und die Auswirkungen des negativen Drucks in der Schmierschicht werden nicht berücksichtigt.
- Mikrogeometrische und makrogeometrische Abweichungen in der Gleitflächenform werden in äquivalente ideale geometrische Formen übertragen. Abweichungen wechselseitiger Positionen werden ignoriert.
- Die Lagerbauteile sind im Idealfall starr, d. h. ihre Größe und Form ändern sich nicht.
- Die mittlere Schmiermitteltemperatur am Lageraustritt wird als Leittemperatur verwendet, um für die Berechnung die Viskosität des Schmiermittels zu ermitteln.
Berücksichtigen Sie, in welchem Maße diese Voraussetzungen erfüllt sind. Aufgrund der Produktion, der Konstruktion und des Betriebs sind Lagerbauteile nicht vollständig starr und haben keine ideale Form oder wechselseitigen Positionen. Wenn sich die Viskosität oder gar die Dichte des Schmiermittels (zumeist aufgrund von Temperaturschwankungen) ändert, können sich die berechneten und realen Lagereigenschaften ändern. Sollten Luft oder Verunreinigungen zusammen mit dem Schmiermittel in die Schmierschicht eindringen, kann sich dies erheblich auf die Funktion des Lagers auswirken.