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Die Erfindung betrifft ein Gleitlager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
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Das Gleitlager weist ein erstes Lagerelement und ein relativ zum ersten Lagerelement bewegbares zweites Lagerelement auf, wobei zwischen dem ersten Lagerelement und dem zweiten Lagerelement ein Lagerspalt ausgebildet ist, in dem ein Schmiermittel angeordnet ist.
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Solche Lager werden zum Beispiel als Radiallager oder als Axiallager gebaut. Dabei handelt es sich um eine Drehlagerung beispielsweise einer Welle in einer Lagerbuchse. Die Lagerbuchse eines Radiallagers nimmt Kräfte senkrecht zur Rotationsachse der Welle auf und leitet sie in ein Fundament ab, während ein Axiallager Kräfte in Achsrichtung (Wellenlängsrichtung) überträgt. Hierbei stehen sich immer die betreffenden Kontaktflächen der beiden Lagerelemente unmittelbar benachbart gegenüber und sind lediglich durch einen schmalen Lagerspalt und ein darin befindliches Schmiermittel voneinander getrennt.
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Gleitlager finden in vielen Einsatzbereichen Anwendung. Dabei kann zur Verringerung der Reibung zwischen den Lagerelementen bzw. zwischen deren Kontaktflächen ein Schmiermittel eingesetzt werden. Das Schmiermittel kann dabei als Feststoff, als Flüssigkeit oder als Gas ausgebildet sein. Gleitlager mit einem flüssigen Schmiermittel, wie hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager, weisen gegenüber Feststoffgleitlagern einen verringerten Reibungswiderstand und Verschleiß auf. Gleitlager mit einem gasförmigen Schmiermittel, wie aerodynamische Gleitlager, besitzen einen noch weiter verringerten Reibungswiderstand.
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In Gleitlagern kann im Wesentlichen Festkörperreibung, Flüssigkeitsreibung und Mischreibung auftreten. Bei der Festkörperreibung bewegen sich die Lagerelemente direkt gegeneinander. Dadurch tritt Verschleiß an den Kontaktflächen der Lagerelemente auf. Häufig wird daher zumindest bei einem Lagerelement ein Material mit Selbstschmierungseffekt eingesetzt. Beispielsweise kann das als Lagerbuchse ausgebildete Lagerelement PTFE aufweisen, während das zweite Lagerelement durch eine aus Stahl hergestellte Welle gebildet ist.
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Bei einer aus dem Stillstand beginnenden Bewegung (Gleitlagerdrehung) eines flüssig geschmierten Gleitlagers liegt in der Regel zunächst eine Mischreibung vor, wenn nämlich die Lagerelemente noch aufeinander aufliegen. Bei sich erhöhender Drehzahl hebt die Welle wegen eines Schmiermitteldruckaufbaus im Lagerspalt von der Lagerbuchse ab, so dass nur noch Flüssigkeitsreibung herrscht.
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Aufgrund von Dissipation verursacht jede Reibung eine Erwärmung (Temperaturerhöhung) der beteiligten Kontaktflächen, der Lagerelemente und/oder des Schmiermittels. Mindestens innerhalb eines zu einer Reibungsart gehörenden Drehzahlbereichs verhält sich die Lager- und Schmiermitteltemperatur in etwa proportional zur Drehzahl.
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In Fällen, bei denen es auf Langlebigkeit und niedrige Energieverluste ankommt, werden in der Regel Gleitlager mit Vollschmierung eingesetzt, wobei Flüssigkeitsreibung auftritt. Das üblicherweise flüssige Schmiermittel muss dabei unter einem ausreichenden Druck stehen, um Kontaktflächen der Lagerelemente gegen die Lagerkraft voneinander trennen zu können. Bei hydrostatischen Lagern wird dafür das Schmiermittel unter Druck zwischen die Lagerelemente eingebracht. Bei hydrodynamischen Lagerelementen wird der Druck durch die auf das Schmiermittel bei Relativbewegung zwischen den Lagerelementen wirkenden Scherkräfte erzeugt. Beim Anfahren und beim Stillsetzen bzw. Stoppen der Bewegung entsteht bei diesen Lagern Mischreibung, also eine Mischung von Festkörperreibung und Flüssigkeitsreibung. Dabei befindet sich das Schmiermittel zwar in den Mikrorauhigkeiten der Lagerelemente und sorgt so für eine gewisse Schmierung, es ist aber nicht ausreichend, einen Kontakt zwischen den Lagerelementen vollständig zu verhindern. Diese berühren sich daher im Bereich von Rauhigkeitsspitzen. Ein Widerstand bei der Mischreibung ist daher gegenüber einem Widerstand bei der reinen Festkörperreibung herabgesetzt, wobei er jedoch noch größer ist als bei der Flüssigkeitsreibung. Dabei tritt bei der Mischreibung gegenüber der Flüssigkeitsreibung ein höherer Verschleiß auf.
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Hydrodynamische Gleitlager, bei denen erst mit steigender Geschwindigkeit ein Übergang von Mischreibung zu Flüssigkeitsreibung erfolgt, finden daher vor allem Anwendungen in Bereichen, in denen Zeiten des Anfahrens bzw. Stillsetzens gegenüber dem Gesamtbetrieb vernachlässigbar sind.
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Hydrostatische Gleitlager haben gegenüber hydrodynamischen Gleitlagern den Vorteil, dass die beim Anfahren und Auslaufen verursachte Mischreibung entfällt, mit der ein erhöhter Lagerverschleiß verbunden ist. Vielmehr tritt nur Flüssigkeitsreibung auf. Damit werden auch sogenannte Stick-Slip-Effekte vermieden, was hydrostatische Gleitlager für Anwendungen, bei denen hochgenaue Stellbewegungen gefordert sind, besonders geeignet macht.
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Aerodynamische Gleitlager, also Lager mit einem gasförmigen Schmiermittel, arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie hydrodynamische Lager und sind üblicherweise für den Dauerbetrieb bei hohen Geschwindigkeiten ausgelegt. Dabei haben die aerodynamischen Gleitlager im Betrieb einen besonders geringen Reibunsgwiderstand. Diese Lager besitzen eine sehr lange Lebensdauer, wobei jedoch die Lebensdauer durch die Anzahl von Start/Stopp-Vorgängen stark reduziert wird, da während des Startens beziehungsweise Auslaufens eine Relativgeschwindigkeit zwischen den Lagerelementen so weit absinkt, dass ein Druck einer Gasschicht zwischen den Lagerelementen zusammenbricht und die Lagerelemente direkt aneinander entlang gleiten. Damit tritt Mischreibung und evtl. auch reine Festkörperreibung auf.
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Dementsprechend kann es bei jedem Starten und Stoppen zu einem Kontakt zwischen den Lagerelementen kommen, was zu einer Abnutzung des Gleitlagers durch abrasiven Verschleiß der Lagerflächen bzw. der Kontaktflächen der Lagerelemente führt.
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Um auch bei häufigen Start/Stopp-Anwendungen aerodynamische Gleitlager einsetzen zu können, müssen die Lagerelemente aus entsprechend widerstandsfähigen Materialen, wie beispielsweise Keramik oder Hartmetall, hergestellt werden. Darüber hinaus sollten sie nur einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Derartige Materialien sind relativ teuer und aufwendig zu bearbeiten.
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Die
DE 10 2006 048 895 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung, bei dem ein feststehendes Lagerteil und ein drehbewegliches Lagerteil durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. An einem Außenumfang des feststehenden Lagerteils ist ein Vorratsvolumen ausgebildet, das mit dem Lagerspalt verbunden ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein Gleitlager anzugeben, das einen geringen Verschleiß und eine längere Lebensdauer aufweist und den Einsatz günstiger Materialien ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.
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Das Schmiermittel ist durch eine Bewegung zwischen dem ersten Lagerelement und dem zweiten Lagerelement von einer flüssigen Phase (flüssiger Aggregatzustand) in eine gasförmige Phase (gasförmiger Aggregatzustand) überführbar. Im Stillstand und während einer Anfahrbewegung, also einer geringen Relativgeschwindigkeit zwischen den Lagerelementen, ist das Gleitlager ein flüssigkeitsgeschmiertes Gleitlager, also ein Gleitlager mit im Wesentlichen Flüssigkeitsreibung, das bei höheren Relativgeschwindigkeiten zwischen den Lagerelementen in ein aerodynamisches Lager umgewandelt wird. Die Überführung des Schmiermittels von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase erfolgt dabei auf Grund der durch die Bewegung und Reibung frei werdenden Wärmeenergie. Dies ist auf Reibkräfte und Scherkräfte zurückzuführen. Im Stillstand beziehungsweise bei geringen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Lagerelementen ist dann eine ausreichende Schmierung durch das im flüssigen Zustand befindliche Schmiermittel gewährleistet. Die Lagerelemente können daher aus günstigeren Materialien hergestellt sein, die eine geringere Abriebfestigkeit aufweisen. Bei höheren Geschwindigkeiten, wie sie beim Dauerbetrieb auftreten, verhält sich das Gleitlager wie ein aerodynamisches Lager mit sehr geringen Reibwerten und entsprechend geringen Verlusten, wenig Verschleiß und langer Lebensdauer.
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Vorzugsweise ist das Gleitlager als Drehlager (Axiallager oder Radiallager) ausgebildet, wobei das Schmiermittel bei Überschreiten einer Grenzdrehzahl verdampft und bei Unterschreiten der Grenzdrehzahl kondensiert. Die Grenzdrehzahl ist dabei eine Gleitlager-typische Drehzahl bzw. ein Drehzahlbereich, die erforderlich ist, um eine bestimmte Größe oder Menge an Reibungswärme freizusetzen, somit die Temperatur auf eine Grenzbetriebstemperatur zu erhöhen, bei der das Schmiermittel zuverlässig verdampft und so ein gasförmiges Schmiermittelpolster zwischen den Lagerelementen ausbildet. Bei geringen Drehzahlen und im Stillstand wird sich dabei das flüssige Schmiermittel in Schwerkraftrichtung unten im Gleitlager sammeln, also in einem Bereich, in dem auch das eine Lagerelement am anderen, Lagerelement anliegt. Dementsprechend ist eine gute Schmierung durch das Schmiermittel gewährleistet.
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Vorzugsweise ist der Lagerspalt hermetisch dicht. Dadurch wird ein Austreten des Schmiermittels sowohl in flüssiger Form als auch in gasförmiger Form verhindert. Das Gleitlager kann dementsprechend wartungsarm ausgebildet sein und auch in verschmutzungssensitiven Bereichen eingesetzt werden.
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Es ist besonders bevorzugt, dass ein Innendruck im Lagerspalt einstellbar ist. Durch die Einstellung eines Innendrucks, also eines Drucks eines Mediums (Schmiermittel, Luft) im Lagerspalt, lässt sich die Verdampfungstemperatur des Schmiermittels einstellen. Beispielsweise kann der Innendruck zwischen 0,1 bis 2,0 MPa betragen. Eine beispielhafte Möglichkeit zur passiven Innendruckeinstellung besteht in der angepassten Auslegung des Lagers mit den Parametern Schmiermittelart (z. B. Siedetemperatur), Schmiermittelmenge, Lagerspaltgröße, Ausgleichsvolumengröße (siehe unten), Betriebstemperatur. Eine andere Möglichkeit zur aktiven Einstellung besteht mit Druck erzeugenden Komponenten, beispielsweise zur gezielten Veränderung der oben genannten Parameter.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Schmiermittel bei Stillstandstemperatur flüssige und gasförmige Bestandteile aufweist. Stillstandstemperatur ist die Temperatur, die das Gleitlager nach einer gewissen Temperaturausgleichszeit im Stillstand (keine Relativbewegung der Lagerelemente) annimmt, also in etwa Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur. Bei Stillstandstemperatur befindet sich das Schmiermittel also etwa im dynamischen Gleichgewicht. Die Verdampfungstemperatur oder Siedetemperatur des Schmiermittels kann insbesondere im Zusammenhang mit einem einstellbaren Innendruck relativ genau auf die jeweiligen Einsatzbedingungen abgestimmt werden. Wenn sowohl flüssige als auch gasförmige Bestandteile vorliegen, ist zum einen eine ausreichende Schmierung von Beginn an (also bei aus dem Stillstand beginnender Bewegung) gewährleistet, zum anderen ist auch sichergestellt, dass das Volumen des Schmiermittels auch dann ausreicht, wenn das Schmiermittel vollständig in gasförmiger Form vorliegt.
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Vorzugsweise ist bei Erreichen und/oder Überschreiten einer der Grenzdrehzahl entsprechenden Grenzbetriebstemperatur (aufgrund der näherunsweisen Proportionalität von Drehzahl und Temperatur) das gesamte Schmiermittel gasförmig. Diese Grenzbetriebstemperatur entspricht dabei der Temperatur, die sich im Gleitlager einstellt, wenn das Lager mit der Grenzdrehzahl beziehungsweise Grenzgeschwindigkeit (z. B. Umfangsgeschwindigkeit der Kontaktflächen bei Grenzdrehzahl) beaufschlagt wird. Wenn dann das Schmiermittel vollständig in die gasförmige Phase überführt ist, verhält sich das Gleitlager wie ein aerodynamisches Gleitlager mit den entsprechenden Vorteilen.
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Vorteilhafterweise ist der Lagerspalt mit einem Ausgleichsvolumen verbunden. Das Ausgleichsvolumen verhindert einen zu hohen Druckanstieg innerhalb des Lagerspalts, der zu einem Anstieg der Siedetemperatur führen würde, was prinzipiell unerwünscht wäre. Dabei kann das Ausgleichsvolumen auch als Kondensator für das gasförmige Schmiermittel wirken und dementsprechend eine zu starke Erhitzung des Gleitlagers verhindern.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Gleitlager mindestens ein Kühlelement auf. Durch das Kühlelement kann eine Kühlung des Gleitlagers oder des Ausgleichvolumens erfolgen, wobei gegebenenfalls die Kühlung nur beim Stoppen beziehungsweise Verringern der Relativgeschwindigkeit zwischen den Lagerelementen durchgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass bei Absenken der Relativgeschwindigkeit beziehungsweise bei Erreichen der Grenzdrehzahl eine ausreichende Menge an Schmiermittel bereits wieder in der flüssigen Phase ist, um eine ausreichende Schmierung zwischen den Lagerelementen zu gewährleisten.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen in schematischer Ansicht:
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1 ein als Drehlager ausgebildetes Gleitlager im Stillstand,
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2 das Gleitlager nach 1 bei bzw. über Grenzdrehzahl und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gleitlagers.
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In 1 ist ein als Radiallager ausgebildetes Gleitlager 1 in Schnittansicht senkrecht zu einer Rotationsachse dargestellt. Die Darstellung und insbesondere die geometrischen Verhältnisse sind nicht maßstabsgerecht. Das Gleitlager 1 weist ein erstes als Lagerbuchse ausgebildetes Lagerelement 2 und ein zweites Lagerelement 3 auf, das als Welle, Lagerzapfen oder Lagerbolzen ausgebildet ist, wobei das zweite Lagerelement 3 innerhalb des ersten Lagerelements 2 rotierbar geführt ist. In einem Lagerspalt 4, der zwischen dem ersten Lagerelement 2 und dem zweiten Lagerelement 3 ausgebildet ist, befindet sich Schmiermittel 5. Das Schmiermittel 5 befindet sich im Wesentlichen in flüssiger Form und füllt den Lagerspalt 4 nicht vollständig aus.
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Der Lagerspalt 4 ist mit einem Ausgleichsvolumen 6 verbunden, so dass das Schmiermittel 5 auch in das Ausgleichsvolumen 6 gelangen kann.
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In dem in 1 dargestellten Zustand befindet sich das Gleitlager im Stillstand, das zweite Lagerelement 3 rotiert also nicht gegenüber dem ersten Lagerelement 2.
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In 2 ist das Gleitlager 1 nach 1 in Betrieb dargestellt. Das zweite Lagerelement, beispielsweise eine Welle 3, ein Lagerzapfen oder ein Lagerbolzen, rotiert mit einer Drehzahl größer oder gleich der Grenzdrehzahl innerhalb des ersten Lagerelements (Lagerbuchse) 2. Durch die Rotation des zweiten Lagerelementes 3 relativ zum ersten Lagerelement 2 wird wegen der dabei auftretenden Reib- und Scherkräfte Wärme freigesetzt, die zu einem Temperaturanstieg innerhalb des Lagerspalts 4 führt. Dadurch ist das Schmiermittel 5 von einer flüssigen Phase vollständig in eine gasförmige Phase übergegangen und füllt den Lagerspalt 4 und das Ausgleichsvolumen 6 aus. Dabei verhindert das gasförmige Schmiermittel einen Kontakt zwischen dem ersten Lagerelement 2 und dem zweiten Lagerelement 3, so dass das Gleitlager sehr reibungsarm arbeitet.
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In 3 ist eine weitere Ausgestaltung des Gleitlagers 1 dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichem Bezugszeichen versehen sind. Das Gleitlager 1 befindet sich wiederum im Ruhezustand, so dass sich in einer in Schwerkraftrichtung unteren Position das in flüssiger Form vorliegende Schmiermittel zwischen dem ersten Lagerelement 2 und dem zweiten Lagerelement 3 angesammelt hat. Das zweite Lagerelement 3 ist mit einer Welle 7 verbunden, die zur Drehmomentübertragung dient. Das erste Lagerelement 2 ist dementsprechend hülsenförmig ausgestaltet.
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Ein eigenständiges Ausgleichvolumen 6 ist bei dem Gleitlager gemäß 3 nicht vorgesehen. Vielmehr dient als Ausgleichsvolumen ein Raum zwischen der Welle 7 und dem ersten Lagerelement 2. Der Gesamtaufbau ist daher relativ einfach.
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Die erfindungsgemäße Lösung stellt also sozusagen ein Hybrid-Gleitlager bereit, das die Vorteile eines flüssigkeitsgeschmierten Lagers mit denen eines aerodynamischen Lagers vereint. Dabei ist vorgesehen, dass sich bei geringen Drehzahlen und im Stillstand zumindest ein Teil des Schmiermittels in flüssiger Phase befindet, wobei das Schmiermittel durch die Bewegung innerhalb des Gleitlagers in die gasförmige Phase überführt wird. Durch Einstellung eines Innendrucks innerhalb des Lagerspalts kann dabei der Siedepunkt des Schmiermittels relativ genau eingestellt werden.
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Das Schmiermittel sollte ein relativ großes Volumen aufweisen, um einen vollständigen Übergang in die gasförmige Phase zu gewährleisten, da dann der Druckanstieg im Verhältnis zum Temperaturanstieg relativ gering ist. Dies ist beispielsweise durch das Vorsehen eines Ausgleichvolumens erreichbar.
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Während beim Starten beziehungsweise Erhöhen der Drehzahl zwischen den Lagerelementen das Schmiermittel verdampft, erfolgt beim Abbremsen oder Auslaufen in entsprechender Weise eine Kondensation des Schmiermittels, so dass bei geringen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Lagerelementen zumindest ein Teil des Schmiermittels in flüssiger Form vorliegt und eine ausreichende Schmierung zwischen den Lagerelementen gewährleistet ist. Die Lagerelemente selbst müssen daher nicht aus einem besonders abriebfesten Material hergestellt sein, sondern können aus günstigeren Materialien gebildet sein, wie beispielsweise nicht rostender Stahl.
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Das erfindungsgemäße Gleitlager weist damit nicht nur eine längere Lebensdauer auf, sondern ist auch mit günstigeren Materialien herstellbar.
