mini|Halbschalenlager werden zum Beispiel in Motoren, Getriebe, Kompressoren, Pumpen und in vielen weiteren Anwendungen eingesetzt mini|Gleitlagerbuchsen werden in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt – hier für z. B. Getriebe in Windkraftanlagen
Das Gleitlager ist neben dem Wälzlager die im Maschinen- und Gerätebau am häufigsten gebrauchte Lagerbauart.
Gleitlager sind Maschinenelemente, die dazu dienen, die Reibung zwischen zwei sich gegeneinander bewegenden Oberflächen zu verringern. Häufig unterstützen und führen sie eine Welle oder Achse, die sich relativ zum Lagergehäuse dreht oder verschiebt.
Wirkprinzipien eines Gleitlagers: Reibung: Zwischen zwei sich berührenden Oberflächen tritt Reibung auf. Gleitlager minimieren diese Reibung durch ihre Materialauswahl und Konstruktion. Schmierung: Um die Reibung weiter zu reduzieren, können die Kontaktflächen durch Schmierstoffe getrennt werden. Diese Schmierstoffe können Flüssigkeiten (wie Öl oder Wasser), Gase oder feste Stoffe sein.
Unterscheidung nach Art der Schmierung mini|Radiales Gleitlager (geteilt): Der helle Zylinder ist die Lagerbuchse. Abnehmbarer Deckel zum Schmieren mit Fett (Mischreibung)
Man unterscheidet zwischen ungeschmierten bzw. selbstschmierenden Gleitlagern, hydrodynamischen Gleitlagern und hydrostatischen Gleitlagern.
In ungeschmierten oder selbstschmierenden Gleitlagern werden reibungsarme Werkstoffpaarungen verwendet. Mitunter hat einer der beiden Partner eine sogenannte „Selbstschmierungs-Eigenschaft“ (zum Beispiel ein mit Blei oder Zinn legierter Werkstoff, ein Kunststoff wie PTFE oder Technische Keramik). Der zweite Partner (bei Radiallagern in der Regel die Welle) ist meist aus Stahl.
Bei hydrodynamischen Gleitlagern „schwimmt“ die Welle auf dem Schmierfilm, was die Reibung auf ein Minimum reduziert. Beim Anlauf der Welle entsteht zunächst Mischreibung. Mit zunehmender Drehzahl wird der Schmierstoff durch die Bewegung der Welle in den Spalt zwischen Welle und Lagerbuchse gezogen. Die Geometrie des Lagers ist oft so gestaltet, dass sie an einer Seite enger ist. Dies führt dazu, dass der Schmierstoff komprimiert wird und einen Druckaufbau erfährt. Der Druck im Schmierstoff hebt die Welle an und trennt sie von der Lagerbuchse, wodurch ein tragender Schmierfilm entsteht und die Welle auf dem Schmierfilm „schwimmt“.
Heute werden auch hydrodynamische Gleitlager mit spiralförmiger Nutung (engl. spiral groove bearing) eingesetzt, bei welchen das Schmiermittel bei rotierender Welle durch die Nut von außen zugeführt und ins Zentrum des Lagers befördert wird (Spiralrillenlager). Flach geätzte oder mit dem Laser herausgearbeitete Nuten sind häufig ausreichend. Eingesetzt wird die spiralförmige Nutung etwa bei besonders leise laufenden Computerlüftern. Schnelllaufende Lager bzw. dort, wo kein Flüssigkeiten eingesetzt werden dürfen, werden auch in luftgeschmierter Ausführung angeboten.
Ein hydrostatisches Gleitlager nutzt unter Druck zugeführtes Fluid (etwa durch eine Ölpumpe), um einen Schmierfilm zwischen den Lagerflächen zu erzeugen. Der Schmierfilm verhindert den Kontakt zwischen bewegten Elementen und den Lagerflächen und ermöglicht idealerweise eine nahezu reibungsfreie Bewegung. Im Gegensatz zum hydrodynamischen Gleitlager, bei dem der Schmierfilm durch die Relativbewegung der Welle selbst erzeugt wird, ist das hydrostatische Lager unabhängig von Bewegung und Belastung des Lagers.
Unterscheidung nach Art der Reibungszustände mini|links|Wirkprinzipien: hydrodynamisch (oben), hydrostatisch (unten)Beispiele: radiale Lager mini|Reibungszustände im Spalt eines Gleitlagers: T Festkörper- (Trocken-), M Misch-, F Flüssigkeits-Reibung
Folgende Reibungszustände sind möglich: Festkörperreibung, Mischreibung oder Flüssigkeitsreibung.
mini|Stribeck-Kurve (schematisch): Reibungskoeffizient μ als Funktion der Relativgeschwindigkeit im Schmierspalt eines hydrodynamischen Gleitlagers Festkörperreibung bei Gleitlagern Festkörperreibung, auch Trockenreibung genannt, tritt auf, wenn zwei feste Oberflächen direkt aufeinander gleiten, ohne dass ein Schmiermittel zwischen ihnen vorhanden ist. In einem Gleitlager, das unter Bedingungen der Festkörperreibung arbeitet, ist kein flüssiger oder gasförmiger Schmierfilm vorhanden, um die Reibung zwischen der Welle und dem Lager zu reduzieren.
Mechanismus der Festkörperreibung Direkter Kontakt: Die Oberflächen von Welle und Lagerbuchse berühren sich direkt. Mikroskopische Unebenheiten und Asperitäten (Spitzen und Täler) auf den Oberflächen verhaken sich ineinander. Reibungswiderstand: Um die Bewegung zu initiieren oder aufrechtzuerhalten, muss eine Kraft aufgebracht werden, die groß genug ist, um die Verhakungen der Asperitäten zu überwinden. Dies führt zu einem hohen Reibungswiderstand. Verschleiß: Die direkte Interaktion zwischen den Oberflächen führt zu Abrieb, wodurch Material von den Oberflächen abgetragen wird. Dies kann zu einem erhöhten Verschleiß führen. Wärmeentwicklung: Die Reibung erzeugt Wärme, die, wenn sie nicht abgeführt wird, zu einer Überhitzung der beteiligten Komponenten führen kann.
Typen der Festkörperreibung Haftreibung (Statische Reibung): Die Reibung, die überwunden werden muss, um eine ruhende Last in Bewegung zu setzen. Sie ist in der Regel höher als die Reibung, die auftritt, wenn sich die Last bereits bewegt. Gleitreibung (Dynamische Reibung): Die Reibung, die auftritt, wenn die Last bereits in Bewegung ist. Sie ist geringer als die Haftreibung, aber immer noch bedeutend, wenn keine Schmierung vorhanden ist.
Materialien für Festkörperreibung Bei Gleitlagern, die für Betriebszustände mit Festkörperreibung ausgelegt sind, werden oft Materialien mit geringer Reibung und hoher Verschleißfestigkeit eingesetzt, wie: Selbstschmierende Materialien: Einige Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe enthalten Schmiermittel wie PTFE (Teflon) oder Graphit, die kontinuierlich an die Oberfläche abgegeben werden, um die Reibung zu reduzieren. Harte Beschichtungen: Oberflächenbeschichtungen wie Diamant-ähnlicher Kohlenstoff (DLC) oder Nitrierprozesse können die Härte und Verschleißfestigkeit erhöhen.
Anwendungen Festkörperreibung in Gleitlagern findet Anwendung, wenn: Schmierung technisch nicht möglich oder erwünscht ist. Extreme Temperaturen den Einsatz von Schmierstoffen verbieten. Saubere oder kontaminationsfreie Umgebungen erforderlich sind (z. B. in der Lebensmittelindustrie oder in der Raumfahrt).
mini|Segmentierte Lauffläche des Axiallagers einer Schiffswelle. Zwischen den Segmenten kann das Schmiermittel an die Lagerfläche treten mini|Mit den großen Handrädern wird das Lagerspiel der aneinandergereihten Axial-Gleitlager im ersten deutschen militärischen U-Boot U1, 1906, nachgestellt
Herausforderungen Verschleiß: Ohne Schmiermittel kann der Verschleiß zu einem schnellen Ausfall des Lagers führen. Wärmeabfuhr: Die Abfuhr der durch Reibung erzeugten Wärme ist schwieriger, was zu einer Überhitzung führen kann. Höhere Antriebsenergie: Es wird mehr Energie benötigt, um die Bewegung aufrechtzuerhalten, was zu ineffizienteren Systemen führt.
Um die negativen Auswirkungen der Festkörperreibung zu minimieren, ist eine sorgfältige Materialauswahl und Konstruktion des Gleitlagers erforderlich. In manchen Fällen werden auch spezielle Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen angewendet, um die Lebensdauer des Lagers unter diesen anspruchsvollen Bedingungen zu verlängern.
Mischreibung bei Gleitlagern Mischreibung in Gleitlagern bezeichnet einen Zustand, bei dem zwischen den Gleitflächen der Welle und des Lagers sowohl Festkörperkontakt als auch hydrodynamische Schmierfilmbedingungen gleichzeitig auftreten. Dieser Zustand findet sich häufig beim Anfahren oder Anhalten einer Maschine und bei niedrigen Drehzahlen, wenn der hydrodynamische Schmierfilm noch nicht vollständig ausgebildet ist oder gerade zusammenbricht. Mittels Stribeck-Kurve wird dies erklärt.
Mechanismus der Mischreibung Teilweiser Schmierfilm: Bei geringen Geschwindigkeiten oder unter hohen Lasten ist der Schmierfilm, der die Oberflächen trennt, nicht vollständig. Es gibt Bereiche, in denen die Oberflächen direkt in Kontakt stehen und andere, wo ein dünner Schmierfilm besteht. Festkörperkontakt und Flüssigkeitsreibung: Die Bereiche des direkten Kontakts unterliegen der Festkörperreibung, während die Bereiche mit Schmierfilm durch Flüssigkeitsreibung charakterisiert sind. Die resultierende Reibung ist eine Kombination aus beiden. Asperitäteninteraktion: Die Mikroerhebungen (Asperitäten) auf den Oberflächen können sich verhaken und zu erhöhtem Verschleiß und Energieverlust führen. Verschleiß und Wärmeentwicklung: Durch den teilweisen Kontakt kommt es zu Verschleiß, und die Reibung führt zur Wärmeentwicklung, die das Schmiermittel und die Lagerkomponenten beeinflussen kann.
Übergang zur Hydrodynamik Beim Anlaufen der Maschine oder bei Geschwindigkeitserhöhung baut sich durch die Bewegung der Welle im Lager ein Schmierfilm auf, der die Oberflächen zunehmend trennt. Dies führt zu einem Übergang von Mischreibung zu vollständiger hydrodynamischer Schmierung.
Übergang zur Festkörperreibung Wird die Maschine abgebremst oder die Last erhöht, kann der Schmierfilm nicht mehr aufrechterhalten werden, und es kommt zu einem Übergang von hydrodynamischer Schmierung zurück zur Mischreibung oder sogar zur Festkörperreibung.
Anwendungen und Herausforderungen Mischreibung ist in vielen Anwendungen unvermeidlich, insbesondere dort, wo Maschinen häufig anlaufen und stoppen oder unter variablen Lastbedingungen arbeiten. Die Hauptprobleme bei Mischreibung sind erhöhter Verschleiß und Energieverlust durch Reibung. Die Lebensdauer des Lagers kann durch die wiederholten Phasen der Mischreibung verkürzt werden.
Maßnahmen zur Reduzierung der Mischreibung Schmierstoffauswahl: Die Verwendung eines Schmierstoffs mit geeigneter Viskosität kann helfen, den Schmierfilm auch bei niedrigen Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten Oberflächenbearbeitung: Polierte oder beschichtete Oberflächen können die Mikrokontaktbereiche reduzieren und so den Verschleiß verringern. Lagerdesign: Ein Lagerdesign, das schneller einen vollständigen Schmierfilm aufbaut, kann die Dauer und Intensität der Mischreibung reduzieren.
Flüssigkeitsreibung bei Gleitlagern Flüssigkeitsreibung, auch hydrodynamische Reibung genannt, tritt bei Gleitlagern auf, wenn ein kontinuierlicher Schmierfilm zwischen der Welle und des Lagers vorhanden ist, der beide Oberflächen vollständig voneinander trennt. Dieser Zustand ermöglicht eine reibungsarme Bewegung der Welle innerhalb des Lagers.
Mechanismus der Flüssigkeitsreibung Schmierfilm: Ein Schmiermittel (in der Regel Öl) wird zwischen die Gleitflächen der Welle und der Lagerbuchse eingebracht. Druckaufbau: Während der Betrieb der Welle beginnt und sich die Drehzahl erhöht, zieht die Relativbewegung zwischen Welle und Lagerbuchse den Schmierstoff in den Spalt zwischen den beiden Oberflächen. Durch die Form der Lagerbuchse und die Viskosität des Schmiermittels wird ein Druckgradient erzeugt, der den Schmierstoff in den Spalt „pumpt“ und so einen Druckaufbau bewirkt. Hydrodynamischer Schmierfilm: Der Druck im Schmiermittel hebt die Welle an und trennt sie von der Lagerbuchse. Die Welle „schwimmt“ auf dem Schmierfilm, was die Reibung auf ein Minimum reduziert und eine hydrodynamische Reibung ermöglicht. Geringe Reibung: Da die Festkörperoberflächen nicht in direktem Kontakt stehen, ist die Reibung, die überwunden werden muss, um die Bewegung aufrechtzuerhalten, sehr gering. Die Reibung, die auftritt, ist hauptsächlich eine Funktion der Viskosität des Schmiermittels und der Geschwindigkeit der Relativbewegung.
Vorteile der Flüssigkeitsreibung Geringer Verschleiß: Da es keinen direkten Kontakt zwischen den Gleitflächen gibt, ist der Verschleiß minimal. Geringe Wärmeentwicklung: Die Reibungswärme ist aufgrund der niedrigen Reibungskoeffizienten gering.