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Gut gepolstert

Einsatz herkömmlicher Kippsegmentlager durch optimierte Auslegung deutlich erweitert
Gut gepolstert

Gut gepolstert
Mit dem Norixlager wird das Einsatzgebiet herkömmlicher Kippsegmentlager deutlich erweitert
Hydrodynamische Gleitlager werden oft erst in Betracht gezogen, wenn man an die Drehzahlgrenzen der Wälzlager stößt und es keine sinnvolle Alternative gibt. Dabei gibt es moderne, optimierte Gleitlagerkonstruktionen, die weitaus öfter ihre Stärken im Vergleich zu Wälzlagern ausspielen können, als vermutet.

Der Beitrag stammt von der Main Metall International AG, CH-Rotkreuz

Für höhere Umfangsgeschwindigkeiten eignen sich besonders hydrodynamische Gleitlager. Zum Aufbau einer hydrodynamischen Tragfähigkeit ist ein Spalt erforderlich, der sich in Bewegungsrichtung des Lagers verengt. Beim zylindrischen Lager entsteht dieser Spalt ganz einfach durch die exzentrische Verlagerung der Welle, verursacht durch die äußere Belastung. Bei der richtigen Auswahl insbesondere von Lagerspiel und Schmierstoff können sehr hohe Lasten bereits bei niedrigen Drehzahlen verschleißfrei aufgenommen werden. Nachteil der einfachen Bauform ist, dass das Lager bei geringen Belastungen instabil werden kann, da die Exzentrizität der Welle geringer wird. Dieses Problem kann durch die Schaffung mehrerer tragender Zonen am Umfang gelöst werden. Durch ein festes Innenprofil des Gleitlagers und die Mehrflächenausführung lässt sich die Welle regelrecht hydrodynamisch einspannen. Durch Aufteilen des Gleitlagers in mehrere kippbewegliche Segmente erhält man das so genannte Kippsegmentlager. Bei richtiger Auslegung stellen sich die konvergierenden Spalte von selbst optimal ein und man erhält sehr gute Feder- und Dämpfungseigenschaften bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit. Mit dem „Norixlager“ von Main Metall kann der Einsatz herkömmlicher Kippsegmentlager deutlich erweitert werden.
Die Entwicklung des Norixlagers
Zur Entwicklung der Kippsegmentlager müssen die Auswirkungen verschiedener konstruktiver Details auf das Betriebsverhalten untersucht werden. Effektive Ölzu- und Abfuhr beeinflussen Schmierspaltweite, Reibung, Erwärmung und die Stabilität der Wellenlage. Der zum Einbau des Prüflagers erforderliche Montageaufwand sollte möglichst gering sein. Diesen Anforderungen entsprechend wurde ein Prüfstand gebaut, auf dem sich Gleitgeschwindigkeiten bis zu 100 m/s bei einem Wellendurchmesser von 60 mm realisieren lassen. Das entspricht einer Drehfrequenz von 31 831 min-1.
Gleitlager wie das Norixlager werden meist bei hohen Drehfrequenzen eingesetzt, um Reibungsverluste zu mindern und Sicherheit gegen Lagerinstabilitäten in Form von selbsterregten Schwingungen zu erreichen. Die Einstellbarkeit der Segmente ist für Funktionstüchtigkeit und damit Tragfähigkeit wichtig. Bei starken Stoßbelastungen zeigen sie aber eine gewisse Empfindlichkeit hinsichtlich Verschleiß oder plastischer Abplattung an den Unterstützungsstellen der Segmentrücken. Die Segmentrückseiten und die Gegenfläche des äußeren Tragrings müssen ausreichend Festigkeit und Härte aufweisen, um Beschädigungen durch Stoßlasten zu vermeiden.
Werden an einem Radial-Kippsegmentlager die Klotzrücken konvex-kugelig und der äußere Tragring konkav-kugelig ausgeführt, kann die gegenseitige Anpassung so erfolgen, dass der resultierende Durchmesser aus Klotzrücken und Tragring beträchtlich größer wird als die Einzeldurchmesser der jeweiligen Kontakt- und Gegenflächen. Damit verringert sich die max. Flächenpressung zwischen Kippsegment und Tragring. Nähert man die Kugeldurchmesser der Segmentrücken und den Hohlkugeldurchmesser des Tragrings so weit an, dass noch das notwendige einwandfreie Ankippen der Kippsegmente erfolgt, können selbst Stoßbelastungen, die ein Mehrfaches der statischen Last betragen, die Segmentrückseiten nicht zerstören. Durch die Paarung: Konvexkugel der Segmentrückseite/Hohlkugel des Tragrings erreicht man zudem einen stabilen Gleichgewichtszustand, eine gute Einstellbarkeit der Segmentgleitfläche gegenüber der Wellenfläche und vermeidet Kantenpressungen.
Gelenkte Schmierung
Ein weiterer Vorteil des Norixlagers ist die gelenkte Schmierung: Durch die Rotation der Welle legt sich das Segment an die hintere Bohrungswand des Führungsrings an, dadurch entsteht am Eintritt ein sichelförmiger Spalt. Der noch kühle Schmierstoff wird zwischen äußerem Tragring und Führungsring zugeführt und strömt durch den sichelförmigen Ringspalt genau an die vordere Kante des Kippsegments. Durch dessen kreisrunde Form kann der Seitenfluss ungehindert abfließen. Durch eine Vergrößerung der Gleitfläche z. B. durch die Verwendung von eckigen Segmenten oder die Erhöhung der Segmentanzahl ist eine Steigerung der Tragfähigkeit nur bedingt möglich, denn der im Gleitraum erwärmte Schmierstoff wird von einem zum anderen Segment verschleppt. Dadurch steigt die Temperatur des Schmierstoffs, während die Viskosität und damit die Tragfähigkeit sinkt. Durch die Konstruktion der Kippsegmente liegt die Gleitflächenausnutzung hinsichtlich Reibung und Tragfähigkeit im Optimum.
Die typischen Anwendungen des Norixlager liegen auf höherem Drehzahlniveau. Neben dem Einsatz in Turbomaschinen und -getriebebereich ist es aber ebenso
interessant für Anwendungen in Windenergieanlagen, speziell in der schnellen Getriebestufe und im Generator. Auch für die langsameren Lagerstellen einer Windenergieanlage bieten Gleitlagerlösungen wesentliche Vorteile, bezüglich Lebensdauer und Sicherheit gegen Überlastung.
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