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Lager und Dichtungen
AllgemeinesGleitlagerWälzlager
Tragfähigkeit und LebensdauerGestaltung, Schmierung und Abdichtung
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Lernziele
Aufgaben und Arten von Lagern kennenlernenReibung und Schmierung als Grundproblem bei Relativbewegung erkennenAufbau und Funktion von Gleit und Wälzlagern kennenlerneneinfache rechnerische Nachweise für Gleit- Wälzlager führenLagerungen gestaltenAbdichtungen ausführen
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10. Lager und Dichtungen - Inhalt
1. Allgemeines1. Aufgaben und Arten2. Reibung und Schmierung
2. Gleitlager1. Grundlagen2. Werkstoffpaarungen3. Radiallager, Gestaltung und Berechnung4. Axiallager, Gestaltung und Berechnung5. Reibung und Erwärmung6. Sonstige Gleitlager
3. Wälzlager1. Grundlagen2. Bauformen3. Tragfähigkeit und Lebensdauer4. Reibung und Erwärmung5. Kosten und Bezugsmöglichkeiten
4. Gestaltung, Schmierung und Abdichtung
Bild: WindradQuelle: Lexikon der gesamten Technik (1904) von Otto Lüger
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10.1 Allgemeines10.1.1 Aufgaben und Arten - Definition
Abstützung und Lagesicherung von Bauteilen mit relativer BewegungAufnahme und Weiterleitung der Abstützkräfte von den sich bewegenden auf die ruhende BauteileGewährleistung verschleiß- und reibungsarmer Relativbewegungen und Ableitung der Reibungswärme,Wartungsarmut oder -freiheit.
Lager und Führungen sind Tragelemente mit folgenden Aufgaben/Anforderungen:
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5Maschinenelemente: 10. Lager und Dichtungen
10.1 Allgemeines10.1.1 Aufgaben und Arten - Freiheitsgrade
Lager FührungQuerlager mit Längsverschieb-barkeit
Radiallager
Querlager mit Verhinderung der Längsver-schiebbarkeit
Axiallager
lineare Führung ebene Führung
1 ... Drehbarkeit2 ... Verschiebbarkeit3 ... Querverschiebbarkeit
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10.1 Allgemeines10.1.1 Aufgaben und Arten – Art der Relativbewegung
Bild: Arten der Relativbewegung und daraus abgeleitete Arten von Lager und Führungen
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lle: F
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us: K
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10.1 Allgemeines10.1.1 Aufgaben und Arten - Lagerfunktion
Arten von Lager in ihrer Hauptfunktion:
Stützlager Festlager Loslager Stützlagerung
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Smokey McPottTypewriterSkizzen!
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10.1 Allgemeines10.1.2 Reibung und Schmierung – Definition Reibung
Bei äußerer Reibung sind die sich berührenden Stoffbereiche verschiedenen Körpern, bei innerer Reibung ein und demselben Körper zugeordnet. Die Reibung tritt als Reibungskraft oder Reibungsenergie in Erscheinung. Das Verhältnis der Reibungskraft zur wirkenden Normalkraft wird als Reibungszahl µ bezeichnet
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Smokey McPottTypewriterReibung ist eine Wechselwirkung zwischen sich berührenden Stoffbereichen vonKörpern. Sie wirkt immer einer Relativbewegung entgegen.
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10.1 Allgemeines10.1.2 Reibung und Schmierung –Reibungsarten
Gleitreibung: Bewegungsreibung zwischen Körpern, deren Geschwindigkeiten in der Berührungsfläche nach Betrag und/oder Richtung verschieden sind.Rollreibung: Idealisierte Bewegungsreibung zwischen sich punkt- oder linienförmig berührenden Körpern, deren Geschwindigkeiten in der Berührungsfläche nach Betrag und Richtung gleich sind und bei der mindestens ein Körper eine Drehbewegung um eine momentane, in der Berührungsfläche liegende Drehachse vollführt.Wälzreibung: Rollreibung, der eine Gleitkomponente (Schlupf) überlagert ist.Bohrreibung. Reibung zwischen sich punktförmig (idealisiert) berührenden Körpern, deren Geschwindigkeiten in der Berührungsfläche nach Betrag und/oder Richtung verschieden sind und bei der mindestens ein Körper eine Drehbewegung um eine senkrecht im Zentrum der Berührungsfläche stehende Achse ausführt© Dubbel, Springer-Verlag 1999
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Smokey McPottTypewriterSkizzen!
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10.1 Allgemeines10.1.2 Reibung und Schmierung - Reibungszustände
Festkörperreibung: Reibung zwischen Stoffbereichen mit Festkörpereigenschaften in unmittelbarem Kontakt. Anmerkung: Findet die Reibung zwischen festen Grenzschichten mit modifizierten Eigenschaften, z.B. Reaktionsschichten statt, so nennt man dies Grenzschichtreibung.Flüssigkeitsreibung: Reibung im Stoffbereich mit Flüssigkeitseigenschaften (innere Reibung). Dieser Reibungszustand ist auch für eine die Festkörper vollständig trennende flüssige Schmierstoffschicht zutreffend.Gasreibung: Reibung im Stoffbereich mit Gaseigenschaften (innere Reibung). Dieser Reibungszustand ist auch für eine die Festkörper vollständig trennende gasförmige Schmierstoffschicht zutreffend.Mischreibung: Jede Mischform der Reibungszustände, primär der Festkörper- und Flüssigkeitsreibung.
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10.1 Allgemeines10.1.2 Reibung und Schmierung - Reibungszahlen
© Dubbel, Springer-Verlag 1999
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Smokey McPottTypewriter0,1...10,1...0,20,01...0,10,001...0,010,0001
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10.1.2 Reibung und SchmierungReibungszustände geschmierter Gleitpaarungen
Stribeckkurve (schematisch)
Richard Stribeck(* 1861 in Stuttgart; † 1950) lehrte an der TU Dresden und begründete dort die Arbeiten zur Zahnradgetriebeforschung. 1902 beschrieb er den Reibungskoeffizienten in geschmierten Lagern, die später nach ihm benannte Stribeckkurve.
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10.1 Allgemeines10.1.2 Reibung und Schmierung - Verschleiß
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Verschleiß: fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische UrsachenTribosysteme ohne Schmierung wie z.B. Trockengleitlager, Reibungsbremsen, Transportanlagen für mineralische Stoffe u. a. unterliegen einem allmählichen Verschleiß.tribologische Beanspruchung: Beanspruchung eines festen Körpers durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers Verschleiß äußert sich im Auftreten von losgelösten kleinen Teilchen (Verschleißpartikel) sowie in Stoff- und Formänderungen der tribologischbeanspruchten Oberflächenschicht.In der Technik ist Verschleiß normalerweise unerwünscht. In Ausnahmefällen, wie z.B. bei Einlaufvorgängen, können Verschleißvorgänge jedoch auch technisch erwünscht sein.
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Smokey McPottTypewriterReicht der Schmierfilm nicht aus, um 2 Gleit- oder Wälzpartner vollständig vonein-ander zu trennen, so tritt Verschleiß auf.
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10.1 Allgemeines10.1.2 Reibung und Schmierung - Schmierstoffe
Schmierstoffe Aufgabe: Reibungs- und Verschleißminderung in tribologischen SystemenArten:
Schmieröle SchmierfetteFestschmierstoffe
Haupteigenschaften von Schmieröl:statische und dynamische Viskosität (Maß für innerer Reibung)Viskositätsindex (Temperaturabhängigkeit)DichteScherstabilitätPourpoint (Temperaturgrenze für Fließfähigkeit)
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen
Wirkungsweise:
Reibungsminderung durch Oberflächengüte, Werkstoffpaarung oder Schmierfilm
Schmierfilm:hydrostatischhydrodynamisch
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Smokey McPottTypewriterZwei eng geschmiegte Flächen gleitenaufeinander
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen
hydrostatisch geschmiertes Gleitlager:
Schmieröl wird unter hohem Druck (bis 20MPa) zwischen die Gleitflächen gepresst
damit wird ein ständiger Abstand von wenigen Hundertstel Millimeter gehalten
auch im Stillstand
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen – hydrostatische Gleitlager
hydrostatisch geschmiertes Gleitlager, Prinzip:
Radiallager Axiallager
Legende:
K ... Kammer D ... Drosselh ... Schmierspalthöhed ... WellendurchmesserB ... Lagerbreite
Que
lle: D
ecke
r: M
asch
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elem
ente
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen – hydrodynamische Gleitlager (1)
hydrodynamisch geschmiertes Gleitlager:
tragender Schmierfilm bildet sich relative Bewegung beider Gleitflächen
Gleitflächen müssen keilförmig angestellt sein.
gekrümmte Gleitflächen gerade Gleitflächen
Quelle: Decker: Maschinenelemente
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen – hydrodynamische Gleitlager (2)
hydrodynamisch geschmiertes Gleitlager – Zapfenlage und Reibwert:
Que
lle: D
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r: M
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n = hFR
NennbetriebFR
AnlaufMR
StillstandMR
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Smokey McPottTypewriterDiagramm!
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen – hydrodynamische Gleitlager (3)
hydrodynamisch geschmiertes Gleitlager – Mehrflächenlager:
Zweiflächenlager Vierflächenlager Dreiflächenlager Fünfflächenlagermit Zitronenspiel für eine Drehrichtung
Que
lle: D
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ente
Legende:
K ... Keillänge R ... RaststreckeN ... Nutbreite
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen – hydrodynamische Gleitlager (4)
Gleitlager in Gleitführung Mehrflächenausführung:
Legende:
K ... Keillänge R ... RaststreckeN ... Nutbreite
Que
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elem
ente
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10.2 Gleitlager10.2.1 Grundlagen – hydrodynamische Gleitlager (5)
Que
lle: D
ubbe
l
Schmiernuten und -taschen im GleitspaltSchmiernuten zur VerteilungSchmiertaschen zur örtlich richtigen Schmierstoffzufuhr (Bild 1)
kontinuierliche SchmierstoffzuführungLosringschmierungkontinuierliche Verlustschmierung (Bild 2)
Bild 1: Schmiertaschenanordnung
Bild 2: kontinuierliche Dochtöler TropfölerFettzufuhr
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Smokey McPottTypewriterHydrodynamische Gleitlager müssen ständig mitSchmierstoff versorgt werden!
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10.2 Gleitlager10.2.2 Werkstoffpaarungen
WellenwerkstoffGleitfläche, welche sich relativ zur Last bewegt, sollte 3 bis 5 mal so hart sein wie der LagerwerkstoffGünstig: Einsatzstähle, oberflächengehärtete Stähleungünstig: austenitische Stähle
LagerwerkstoffBlei-LagermetalleZinn-LagermetalleKupferlegierungenEs gibt keinen idealen Lagerwerkstoff durch gegenläufige Eigenschaften. Auswahl nach den Anforderungen wie Notlaufeigenschaft, Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit ... -> Übersichtweicher Lagerwerkstoff oft auf Stahlstützring (Verbundlager)
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10.2 Gleitlager10.2.2 Werkstoffpaarungen
Übersicht: Eigenschaften der Gleitlagerwerkstoffe (1 sehr gut ... 5 mangelhaft)
Que
lle: N
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10.2 Gleitlager10.2.3 Radiallager, Gestaltung
Massivlagerbuchsen nach DIN ISO 4369-1a) ohne Bund b) mit Bund für zusätzliche axiale
Wellenfixierung
gerollte Buchsen DIN 1498/DIN 1499 (Verbundbuchse)
Einspannbuchsen DIN 1498für stehendes AußenteilAufspannbuchsen DIN 1499für stehenden WellenzapfenFormen:
Form G: gerader SchlitzForm P: pfeilförmiger SchltzForm S: schräger Schlitz
Que
lle: D
ecke
r: M
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elem
ente
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10.2 Gleitlager10.2.3 Radiallager, Berechnung (1)
Spezifische Lagerbelastungmit: F ... Lagerbelastung
D ... LagerdurchmesserB ... LagerbreiteD·B … projezierte Fläche
Reibleistung (Verlustleistung)mit: F ... Lagerbelastung
µ ... ReibwertvG ... Gleitgeschwindigkeit
... Winkelgeschwindigkeit = 2· ·nn ... Drehzahl
Reibleistung = abzuführender Wärmestrom
2DvG
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Smokey McPottTypewriterpm = F/(D*B)
Smokey McPottTypewriterP = F*µ*vG
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10.2 Gleitlager10.2.3 Radiallager, Berechnung (2)
erforderliches mittleres relatives Lagerspielmit: vG ... Gleitgeschwindigkeit in [m/s]
Das Lagerspiel ist entsprechend m zu wählen (DIN 31652-2). Dabei ist bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten die Spieländerung bei Erwärmung zu beachten.
thermisch bedingte Änderung des relativen Lagerspieles
mit: B ... Längenausdehnungskoeff. Lagerbuchse und Gehäuse
W ... Längenausdehnungskoeff. WelletB ... Betriebstemperatur
CtBWB 20
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Smokey McPottTypewriterψm = 0,8*vG^(1/4)
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10.2 Gleitlager10.2.3 Radiallager, Berechnung (3)
Sommerfeldzahl Somit: pm … mittlere Flächenpressung
eff … relatives Lagerspiel S/Dabsolutes Spiel S = Durchmesserdifferenz
… dynamische Viskosität des Schmieröls bei tB… Winkelgeschwindigkeit
Mit der dimensionslosen Sommerfeldzahl lassen sich Radialgleitlager hinsichtlich ihres Lauf- und Reibverhaltens miteinander vergleichen.
Aussage zur Stabilität: So < 0,7 vermeiden, SchwingungsneigungSo < 1 instabiler Lauf -> MehrflächenlagerSo > 1 stabiler Lauf
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Smokey McPottTypewriterS0 = pm*ψeff/(ny*omega)
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10.2 Gleitlager10.2.4 Axiallager, Gestaltung und Berechnung
Que
lle: D
ecke
r: M
asch
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elem
ente
ungünstig: Differenz in Gleitgeschwindigkeit innen zu außenAusführung als Ringspurlager
einfachste Ausführungeinbaufertige Gleitlagerscheiben nach DIN ISO 6525Schmierung meist mit FettMischreibung
Radialnuten exzentrische Ringnut
Ring-Spurlager
Legende:p ... Gleitlagerscheibe
(Spurplatte) z ... Wellenzapfen
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10.2 Gleitlager10.2.4 Axiallager, Gestaltung und Berechnung
Que
lle: D
ecke
r: M
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elem
enteAusführung als Segmentspurlager
hydrodynamisches AxiallagerRingfläche besteht aus einem System von Segmenten mit Schmierkeilen und Schmiernutenfür eine oder wechselnde Drehrichtungeneinbaufertige Axiallageringe nach DIN 31696 und DIN 31697
hydrodyn. Axiallager
Legende:1 ... Welle2 ... Gehäuse3 ... Laufring4 ... Aiallagerring
für eine für wechselnde Drehrichtung
K ... KeillängeN ... NutR ... Rastlänge
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10.2 Gleitlager10.2.4 Axiallager, Berechnung (1)
Spezifische Lagerbelastungmit: F ... Lagerbelastung
AL ... Lagerfläche
Lagerfläche
bei Ringspurlagern
mit: da ... Aussendruchmesserdi ... Innendurchmesser
bei Segmentspurlagern
mit z ... Anzahl der Segmenteb... Segmentbreitel ... mittlere Segmentlänge
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4 iaLddA
lbzAL
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Smokey McPottTypewriterpm = F/AL
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10.2 Gleitlager10.2.4 Axiallager, Berechnung (2)
Tragfähigkeit des Axiallagers (vereinfacht)
Lagerkraft
mit: Soax … dimensionslose Tragzahl
hmin … kleinste Schmierfilmdicke im Betrieb… dynamische Viskosität des Schmieröls bei tB
vG … Gleitgeschwindigkeitb … Lagersegmentbreite AL … Lagerfläche
h0 ... Schmierfilmdicke
... Keilverhältnis, durch optimale Lagergeometrie = 0,8 anstreben
Hh0
vG
vG
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Smokey McPottTypewriterFax = S0ax*ny*vG*b*AL/ho^2
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10.2 Gleitlager10.2.4 Axiallager, Berechnung (3)
Abhängigkeit der Tragzahl Soax von der relativen Schmierfilmdicke und dem Lagerverhältnis l/b
Que
lle: D
ecke
r: M
asch
inen
elem
ente
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10.2 Gleitlager10.2.4 Axiallager, Berechnung (4)
Kontrolle sicherer hydrodynamischer Betrieb
ÜbergangsdrehzahlÜbergang von Mischreibung zu Flüssigkeitsreibung
mit: h0 … Schmierfilmdicke hmin … kleinste Schmierfilmdicke im Betrieb
für Axialsegmentlager gilt:
dm ... mittlerer Lagerdurchmesser dm=0.5·(da-di)Rz ... Rauhtiefe
nh
hnü2
0
min
3000minzm Rdh
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10.2 Gleitlager10.2.5 Reibung und Erwärmung
Reibung in den Gleitflächen -> Erwärmung, abhängig von:ReibwertGleitgeschwindigkeit
bei langsam laufenden Lagern (niedrige Gleitgeschwindigkeit) meist keine besonderen Kühlmaßnahmen erforderlich
bei schnell laufenden Lagern zusätzliche Kühlung erforderlich:Oberflächenvergrößerung durch Rippen am Gehäuseerzwungene KonvektionKühlung mit Wasser
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10.2 Gleitlager10.2.6 sonstige Gleitlager - Übersicht
Poröse SintermetalllagerKunststoffgleitlager und Verbundlager mit KunststofflaufschichtLager mit FeststoffschmierungMagnetlager
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10.2 Gleitlager10.2.6 sonstige Gleitlager - Poröse Sintermetalllager
aus Sintereisen oder Sinterbronze (bessere Notlaufeigenschaften)zusammenhängender Porenraum bis 35 % des Gesamtvolumensgetränkt mit alterungsbeständigem Schmieröl -> wartungsfrei bis ca. 3000 hMischreibungAnwendung bei geringen Gleitgeschwindigkeiten
Que
lle: W
alte
r Loo
ser A
G
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10.2 Gleitlager10.2.6 sonstige Gleitlager - Kunststoffgleitlager
überwiegend aus thermoplastischen Kunststoffen wie Polyamid, Polyoxymethylen, Polyimidbesonders für Trockenlauf und MangelschmierungSchmierung mit Öl, Fett und Wasser möglichunempfindlich gegenüber Verunreinigungenkorrosionsbeständigschlechte WärmeleitfähigkeitTemperatureinsatzbereich eingeschränkt
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10.2.6 sonstige Gleitlager –Lager mit Feststoffschmierung
einbaufertige Lager mit imprägnierten FestschmierstoffenEinsatz dort, wo sich kein hydrodynamischer Schmierfilm bilden kannAufnahmekammern nehmen Festschmierstoff auf:
BleiGraphitMolybdänsulfit
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10.2 Gleitlager10.2.6 sonstige Gleitlager - Magnetlager
Luftspaltlager:Magnetkraft hält Rotor in der Schwebe
Magnetflüssigkeitslager:Magnetkraft hält eine magnetische Flüssigkeit im LagerspaltAnwendung in schnell laufenden Maschinen
Bild: PermanentmagnetlagerQuelle: Niemann, Maschinenelemente
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