Inhaltsverzeichnis
1. Gleitlager in den unterschiedlichen Pumpenbauarten
2. Zwei Zahnräder fördern das Fluid
3. Entwicklung von Gleitlagern für Hydraulikpumpen
4. Entscheidenden Schmierspalt anlegen
5. Metall-Polymer-Verbundgleitlagerwerkstoffe
6. Gleitlager aus Schichtverbund sind direkt einsatzfertig
Die am Markt verfügbare feine Abstufung der Leistungsklassen aller Pumpen, viel mehr aber noch das auf sehr spezielle Funktionen und Betriebscharakteristiken hin entwickelte Pumpenangebot, fächert das Portfolio an Gleitlagern sehr weit auf. Innerhalb der Grundformen variieren alle Dimensionen und es wird nahezu das gesamte Gleitwerkstoffspektrum ausgeschöpft.
Gleitlager werden in großen Stückzahlen auf schnelllaufenden Umformmaschinen produziert. Nur eine hohe Prozessstabilität bei gleichzeitiger Flexibilität ermöglicht die Herstellung von Lagern für den Hydraulikmarkt unter gleichzeitiger Erfüllung der Forderungen nach Produktperformance und Wirtschaftlichkeit.
Gleitlager in den unterschiedlichen Pumpenbauarten
Axialkolbenpumpen sind Aggregate in hydraulischen Systemen zur Erzeugung eines stufenlos variablen Ölstroms. Häufig bilden sie in Kombination mit einem Hydromotor das hydrostatische Fahrgetriebe in Bau-, Bergbau- oder Landmaschinen. In Axialkolbenpumpen kommen vornehmlich Gleitbuchsen aus Metall-Polymer-Werkstoffen als Hauptwellenlager vor. In der Schrägscheibenbauart kann zudem die sogenannte Schwenkwiege zur Verstellung des Fördervolumens in relativ großen Gleitlagerschalen gelagert sein.
Je nach Pumpengröße und Anforderungen werden diese Lagerschalen aus Monometall oder aus Schichtverbundwerkstoffen gefertigt. Die Gleitlager müssen eine feinfühlige Regelung des Volumenstroms gewährleisten. Ein geringes Losbrechmoment bei niedrigem und konstantem Reibwert sind die dafür entscheidenden Anforderungen an den Gleitwerkstoff. Darüber hinaus ist eine hohe Verschleißfestigkeit zwingend erforderlich.
In Radialkolbenpumpen stehen im Unterschied zu Axialkolbenpumpen die Verdrängerkolben senkrecht auf der Antriebswelle. Der Kolbenhub zur Förderung des Fluids entsteht durch die Exzentrizität zwischen Außenring und Welle. Gleitlager dienen in diesem Pumpentyp ebenfalls zur Lagerung der Antriebswelle im Gehäuse. Aufgrund des erzeugbaren hohen Druckniveaus und der direkten Einleitung der Kolbenkräfte in die Welle sind auch die Wellenlager im Pumpengehäuse sehr hoch beansprucht. Hier findet man überwiegend Metall-Polymer-Verbundgleitlager der zur Rheinmetall Automotive AG gehörenden KS Gleitlager GmbH, erfüllen sie doch die Anforderungen nach hoher Tragfähigkeit und zusätzlicher tribologischer Leistungsfähigkeit in hervorragender Weise.
Ganz ohne oszillierende Verdrängerkörper, wie sie in den beiden Kolbenpumpentypen vorkommen, wird in Zahnradpumpen das Medium in den Zwischenräumen rotierender Zahnräder gefördert.
In Innenzahnradpumpen rotiert ein angetriebenes Zahnrad exzentrisch in einem mitdrehenden, innenverzahnten Gegenrad. In das Pumpengehäuse eingepresste Gleitbuchsen übernehmen die Lagerung der Antriebswelle. Hier kommen sowohl Stahl-Aluminium-Verbundgleitlager und vermehrt Stahl-Polymer-Verbundgleitlager zum Einsatz.
Zwei Zahnräder fördern das Fluid
In Außenzahnradpumpen kämmen zwei Zahnräder in einem Pumpengehäuse und fördern das Fluid in den Räumen zwischen den Zähnen und der Gehäusewand. Eines der beiden Pumpenräder ist das antreibende Rad, das zweite wird über den Zahn-Formschluss mitgeschleppt. Gleitbuchsen, in das Pumpengehäuse eingepresst, nehmen die Reaktionskräfte aus der Verdrängung des Mediums auf. Die Kompaktheit von Zahnradpumpen lässt nur wenig Bauraum für die Lagerung der beiden parallel liegenden Wellen im Gehäuse zu. Die hier eingesetzten Lagerbuchsen weisen daher geringe Wandstärken auf. Niedrige Reibwerte und eine gleichzeitig hohe Verschleißfestigkeit sind entscheidend für einen hohen Pumpenwirkungsgrad und lange Nutzungszeiten.
KS Gleitlager produziert kurzfristig Buchsen für Geräte in der Intensivmedizin
Die hohe Leistungsfähigkeit der Gleitbuchsen setzt einen tribologisch hoch leistungsfähigen Gleitwerkstoff voraus. Hier setzt man auf einen Dreischicht-Stahl-Polymer-Verbundwerkstoff. Die Kunststoffschicht, die in die poröse Sinterbronze imprägniert ist, besteht aus einer PTFE-Matrix mit festigkeitsteigernden Fasern und verschleißmindernden Füllstoffen. Zum anderen sind enge Formtoleranzen an den Gleitbuchsen erforderlich, um hohe Tragfähigkeiten und vor allem hohe Positioniergenauigkeiten der Parallelwellen im Pumpengehäuse zu realisieren.
Zur sicheren Versorgung der Lager mit aus dem Förderstrom abgezweigtem Medium sind axial angeordnete Versorgungsnuten in die Gleitfläche eingebracht, um einen möglichst guten hydrodynamischen Schmierzustand zu sichern. Je nach Anforderung können diese Nuten geprägt oder auch spanend erzeugt werden. Ein zielgerichtetes Einpressen der Buchsen in das Gehäuse stellt sicher, dass die Schmiernuten außerhalb des Lastbereiches liegen und die Buchse damit eine maximale Tragfähigkeit erhält.
Entwicklung von Gleitlagern für Hydraulikpumpen
Hohe Systemdrücke in gleichzeitig immer kompakter werdenden Aggregaten münden in hohen mechanischen Beanspruchungen, die nur von geometrisch äußerst präzise gefertigten Gleitlagern ertragen werden können. Parallel dazu können die Forderungen nach größter Systemzuverlässigkeit, spezieller Lauf- und Anlaufcharakteristik, langer Nutzungsdauer und maximaler Wirtschaftlichkeit nur von Gleitlagern mit spezieller Gleitflächenausführung erfüllt werden. Die Gleitwerkstoffe dieser Lager bestehen aus reib- und verschleißoptimierten Materialkompositionen.
Die Entwicklung eines Gleitlagers für Hydraulikaggregate startet grundsätzlich mit einer detaillierten Abstimmung aller produkttechnisch und systemtechnisch relevanten Parameter zwischen den Pumpenherstellern und dem Gleitlagerproduzenten. Üblicherweise ist der Bauraum für die Lagerung fest vorgegeben. Der Gleitlagerhersteller gestaltet nun spezielle Features wie zum Beispiel die Fasenausführung zwischen Lauffläche und Stirnfläche. Ziel ist dabei die Maximierung der inneren, lastübernehmenden Gleitfläche und der äußeren Mantelfläche, die Last in das Gehäuse ableitet. Die Fasen können dabei durchaus auch asymmetrisch sein.
Entscheidenden Schmierspalt anlegen
Des Weiteren gilt es – unter Berücksichtigung von Kräften, des Hydrauliköls und der Ausführung der zu lagernden Wellen – den für die Einstellung eines hydrodynamischen Schmierzustandes entscheidenden Schmierspalt auszulegen. Hierfür werden vom Lagerspezialisten neben den Gleitlagerdaten und dem Wärmegang der Pumpe auch die Fertigungstoleranzen sowie die elastischen Deformationen der belasteten Bauteile in die Auslegung einbezogen. In besonders kritischen Fällen setzt man für diese Berechnung eine spezielle Simulationssoftware ein. Auf der Basis vieler Simulationszyklen kann schließlich die optimale Ausführung ermittelt werden.
Von besonderer Bedeutung für das geforderte Performanceniveau eines Gleitlagers in Hydraulikkomponenten ist schließlich die Gewährleistung einer sicheren Versorgung des Lagers mit Schmierstoff. Speziell für gleitgelagerte, schnell drehende Wellen müssen daher Versorgungsnuten in den Gleitflächen der Lager vorgesehen werden. Über Verbindungsnuten oder Verbindungsbohrungen wird ein Teilstrom aus dem Medium-Förderstrom zur Versorgung des Gleitlagers abgezweigt und in den Schmierspalt gedrückt. Die so dem Lager zur Verfügung gestellte Schmiermenge wird in erster Linie durch die Größe des Nutquerschnitts determiniert.
Metall-Polymer-Verbundgleitlagerwerkstoffe
Ziel der Hydraulikpumpenentwicklung ist die kontinuierliche Steigerung der Effizienz der Aggregate. Hierzu liefern kompetent entwickelte Gleitlager einen wesentlichen Beitrag. Gleitlager aus Polymer-Verbundwerkstoffen sind daher die am häufigsten eingesetzten Lager in den unterschiedlichen Aggregaten. Seltener findet man Metall-Metall-Verbundgleitlager oder Monometallgleitlager.
Die Verwendung von Kunststoff als eine Gleitschichtkomponente oder aber als Gleitschicht selbst bildet die Basis für die tribologische Performance in Hydraulikkomponenten. Gleitlager mit einem in eine poröse Bronzeschicht imprägnierten Festschmierstoffgemisch auf der Basis von PTFE (Polytetrafluorethylen) weisen eine niedrige Gleitreibung, exzellente Notlaufsicherheit sowie einen hervorragenden Anlaufkomfort aus dem Stillstand heraus auf. Der Stick-Slip-Effekt ist vernachlässigbar gering. Sie lassen damit in Verstellpumpen eine feinfühlige Volumenstromregelung zu.
Der spezielle Schichtaufbau aus porös aufgesinterter Bronze auf Stahl gewährleistet eine optimale Reibwärmeableitung aus dem Gleitlager in das Pumpengehäuse. Damit sind kritische Betriebszustände mit hohen Mischreibungszuständen (niedrige Ölviskosität und Drehzahlbanderweiterung mit niedrigeren Drehzahlen) von diesen Gleitwerkstoffen auch über lange Zeiträume sicher zu gewährleisten. Mit ihrer für sehr viele Anwendungsfälle ausreichenden Leistungsfähigkeit kommen sie in zahlreichen Applikationen zum Einsatz und haben sich bereits über lange Zeit bestens bewährt.
Dr. Klaus Damm, Leiter Business Development, KS Gleitlager, im Interview
Für spezielle Applikationen, in denen die PTFE-basierten Gleitlager an ihre Leistungsgrenzen stoßen, stehen Hochleistungs-Verbundgleitlager mit thermoplastischer Gleitschicht wie zum Beispiel PEEK (Polyetheretherketon) zur Verfügung. Bei diesem Lagertyp ist eine mit weiteren Füllstoffen verstärkte Laufschicht über eine Sinterbronze-Verbindungsschicht auf dem Lagerrücken aus Stahl appliziert. Es entstehen Gleitlager mit nochmals gesteigerter Tragfähigkeit, Verschleißfestigkeit, Kavitation-/Erosionsresistenz sowie exzellenter chemischer Beständigkeit.
Gleitlager aus Schichtverbund sind direkt einsatzfertig
Gleitlager aus diesem Schichtverbund sind direkt einsatzfertig oder können nach dem Einpressen in die Lageraufnahme am Innendurchmesser spanend nachbearbeitet werden. Damit gelingt die Einstellung sehr enger Schmierspalten und sehr hoher Lagergenauigkeiten in kompakten Hochleistungspumpen. Mit derart geringem Spiel getriebene Gleitlager müssen zur sicheren Schmierstoffversorgung korrekt dimensionierte und positionierte Schmiernuten ausweisen. Nur damit ist die extreme Lagerperfomance mit hoher Robustheit gegen das sogenannte „Fressen“ möglich.
In der Zusammenarbeit mit dem Hydraulikpumpenhersteller und dem kompetenten Gleitlagerhersteller entstehen exakt für den Einsatz ausgelegte Aggregate mit hoher Systemperformance. Der Gleitlagerhersteller muss dazu neben den Engineeringkompetenzen über Prozesskompetenzen für Vormaterialfertigung und Teilefertigung auf hohem Präzessionsniveau und Produktivitätsniveau verfügen. Darüber hinaus benötigt er fundiertes Know-how über die Zusammenhänge zwischen Systemperfomance und Gleitlagerspezifikationen.
Um Gleitlager zu entwickeln und systematisch zu optimieren, ist eine innovative Entwicklungsressource mit Technikum und Prüffeld erforderlich. Versuchs-Werkstoffchargen müssen kurzfristig herstellbar und ebenso kurzfristig prüfbar sein. Schließlich müssen produktspezifische Besonderheiten und ihre Auswirkungen auf die relevanten Kennwerte mithilfe intelligenter Lagerprüfstände geprüft werden. Die Entwicklung immer leistungsfähigerer Hydraulikpumpen erfordert vom Gleitlagerhersteller zwingend eine stetige Neu- und Weiterentwicklung der Gleitwerkstoffe und der Material- und Teileherstellprozesse. Nur alle Kompetenzen und Ressourcen zusammengenommen lassen das optimale Gleitlager mit hohem Nutzen und maximaler Zufriedenheit des Anwenders entstehen.
Detaillierte Informationen zu den Industriegleitlagern
Am Bahnhof 14
68789 St. Leon-Rot
Tel.: +49 6227 56-0
Rheinmetall Automotive AG
Karl-Schmidt-Straße 2–8
74172 Neckarsulm
Tel.: +49 7132 33–0
E-Mail: info@de.rheinmetall.com
Website: www.rheinmetall-automotive.com
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