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Lager und Dichtungen

AllgemeinesGleitlagerWälzlager

Tragfähigkeit und LebensdauerGestaltung, Schmierung und Abdichtung

Maschinenelemente: 10. Lager und Dichtungen

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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:


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

Que

lle: F

roni

us: K

onst

rukt

ions

lehr

e, A

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10.1 Allgemeines10.1.1 Aufgaben und Arten - Lagerfunktion

Arten von Lager in ihrer Hauptfunktion:

Stützlager Festlager Loslager Stützlagerung


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


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


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.

© Dubbel, Springer-Verlag 1999


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10.1 Allgemeines10.1.2 Reibung und Schmierung - Reibungszahlen



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


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.


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


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

inen

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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hydrodynamisch geschmiertes Gleitlager – Zapfenlage und Reibwert:

Que

lle: D

ecke

r: M

asch

inen

elem

ente

n = hFR

NennbetriebFR

AnlaufMR

StillstandMR


Smokey McPottTypewriterDiagramm!


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hydrodynamisch geschmiertes Gleitlager – Mehrflächenlager:

Zweiflächenlager Vierflächenlager Dreiflächenlager Fünfflächenlagermit Zitronenspiel für eine Drehrichtung

Que

lle: D

ecke

r: M

asch

inen

elem

ente

Legende:

K ... Keillänge R ... RaststreckeN ... Nutbreite


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Gleitlager in Gleitführung Mehrflächenausführung:

Legende:

K ... Keillänge R ... RaststreckeN ... Nutbreite

Que

lle: D

ecke

r: M

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inen

elem

ente


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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


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

iem

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Mas

chin

enel

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d 1


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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

asch

inen

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


Smokey McPottTypewriterpm = F/(D*B)

Smokey McPottTypewriterP = F*µ*vG


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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


Smokey McPottTypewriterψm = 0,8*vG^(1/4)


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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


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

inen

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

asch

inen

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


Smokey McPottTypewriterpm = F/AL


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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


Smokey McPottTypewriterFax = S0ax*ny*vG*b*AL/ho^2


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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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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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