DE102019218117A1

DE102019218117A1 - Selbstheilendes Gleitlager

Info

Publication number: DE102019218117A1
Application number: DE102019218117.1A
Authority: DE
Inventors: Maarten Ooms; Thomas Meinerz; Roger Karl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-05-27
Also published as: EP4065852A1; CN114667401A; WO2021104748A1; US20220412401A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleitlagers; mit den Schritten ermitteln einer ersten Drehzahl, bei der ein Übergang des Schmierungszustands stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Gleitlager minimal ist; vergleichen der ersten Drehzahl mit einem Schwellwert; und wenn die Drehzahl den Schwellwert überschritten hat, Betrieb des Lagers derart, dass sich ein selbstheilender Verschleißeffekt einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Steuergerät nach Anspruch 3.
Hydrodynamische Gleitlager können in verschiedenen Schmierungszuständen betrieben werden. Mögliche Schmierungszustände sind: Grenzreibung, Mischreibung oder Gleitreibung. Der Übergang zwischen den Reibungszuständen ist fließend. Idealerweise werden hydrodynamische Gleitlager ausschließlich mit Gleitreibung betrieben. Dabei werden die Gleitflächen vollständig durch einen tragfähigen Schmierfilm getrennt. In diesem Betriebszustand tritt kein Verschleiß auf. Allerdings ist ein ausschließlicher Betrieb mit Gleitreibung in vielen Anwendungen, beispielsweise in Windkraftgetrieben, nicht möglich. Kommt es zu Grenzreibung oder Mischreibung, verschleißt das Lager und fällt im fortgeschrittenen Stadium des Verschleißes schließlich aus.
Aus dem Stand der Technik ist ein sogenannter selbstheilender Verschleißeffekt bekannt. Selbstheilende Verschleißeffekte werden etwa beschrieben in „Schnell laufende Verbrennungsmaschinen“ (H. Ricardo; Springer-Verlag, Berlin, 1926). Durch den selbstheilenden Verschleißeffekt ist es möglich, die Laufflächen eines beschädigten Gleitlagers zu glätten. Dazu werden gezielt geeignete Betriebspunkte angefahren, in denen Mischreibung vorliegt. Die Mischreibung führt dazu, dass die zuvor entstandenen Rauheiten wieder eingeglättet werden. Selbstheilende Verschleißeffekte können bisher nur unter Laborbedingungen erzielt werden.
Der Schmierzustand eines Gleitlagers lässt sich anhand von Körperschallsignalen bestimmen, die mit einem oder mehreren Schallemissionssensoren (Acoustic Emission Sensoren) erfasst werden. Entsprechende Verfahren werden etwa beschrieben in „Classification of Journal Bearing Friction States based on Acoustic Emission Signals“ (N. Mokhtari, C. Guhmann; TM-Technisches Messen, Bd. 85, Heft 6, 2018) und „Approach for the Migration of Hydrodynamic Journal Bearings based on Acoustic Emission Feature Change“ (N. Mokhtari, C. Guhmann, S. Novolski; IEEE International Conference on Prognostics and Health Management (ICPHM), 2018). Aus „Vibration Signal Analysis for the Life-time-Prediction and Failure Detection of Future Turbofan Components“ (N. Mokhtari, M. Riskowski, C. Guhmann; Technische Mechanik 37, 2017) ist ein Verfahren zur Ableitung einer Stribeck-Kurve aus den Signalen von Schallemissionssensoren bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit eines Gleitlagers zu verbessern und vorzeitige beschädigungsbedingte Ausfälle zu verhindern. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Steuergerät nach Anspruch 3. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus Anspruch 2 und der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den gezielten Einsatz selbstheilender Verschleißeffekte bei einem in Betrieb befindlichen Gleitlager.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass für die Nutzung selbstheilender Verschleißeffekte in einem im Betrieb befindlichen Getriebe valide Erkenntnisse über den aktuellen Zustand eines Gleitlagers erforderlich sind. Als Indikator für den Zustand wird eine Drehzahl, die bei einem Übergang des Schmierungszustands des Gleitlagers anliegt, herangezogen. Entsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, als eine von zwei Alternativen eine erste Drehzahl des Gleitlagers zu ermitteln, bei der in dem Gleitlager bzw. in einem Lagerspalt des Gleitlagers ein Übergang des Schmierungszustands stattfindet.
Mit Drehzahl des Gleitlagers wird eine Relativdrehzahl zweier relativ zueinander verdrehbarer Gleitflächen des Gleitlagers bezeichnet. Zwischen den Gleitflächen verläuft ein Lagerspalt, in dem in Abhängigkeit des Betriebspunkts Grenzreibung, Mischreibung oder Flüssigkeitsreibung auftritt. Diese drei Reibungsarten kennzeichnen den Schmierungszustand des Gleitlagers. Ein Übergang des Schmierungszustands ist entsprechend gleichbedeutend mit einem Übergang zwischen Grenzreibung und Mischreibung oder zwischen Mischreibung und Flüssigkeitsreibung. Es kann also ein Übergang stattfinden von Grenzreibung zu Mischreibung, von Mischreibung zu Grenzreibung, von Mischreibung zu Flüssigkeitsreibung und/oder von Flüssigkeitsreibung zu Mischreibung.
Der Schmierungszustand bzw. ein Übergang des Schmierungszustands lassen sich, wie eingangs erwähnt, durch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren ermitteln. Insbesondere können hierzu Schallemissionssensoren verwendet werden.
Alternativ kennzeichnet die erste Drehzahl einen Betriebspunkt, bei dem die Reibung in dem Gleitlager, d.h. in dessen Lagerspalt, minimal ist. Dies bedeutet, dass die Reibung in dem Gleitlager bei jeder anderen Drehzahl größer ist als bei der ersten Drehzahl. Mit Reibung wird ein Reibmoment bezeichnet, das das Gleitlager aufgrund der in dem Lagerspalt entstehenden Reibung einer Relativdrehung der Gleitflächen entgegensetzt
Bevorzugt wird der genannte Betriebspunkt anhand einer Stribeck-Kurve ermittelt. Verfahren zur Ermittlung einer Stribeck-Kurve sind wie eingangs erwähnt, aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Stribeck-Kurve ordnet jeder Drehzahl des Gleitlagers die entsprechende, in dem Lager entstehende Reibung zu. Anhand der Stribeck-Kurve lässt sich somit eine Drehzahl ermitteln, bei der die Reibung minimal ist.
Die erste Drehzahl höher ist, je schlechter der Zustand des Gleitlagers ist. Insbesondere aufgeraute Gleitflächen führen zu einer höheren ersten Drehzahl. Die erste Drehzahl ist daher ein Indikator für etwaigen Verschleiß oder Beschädigungen des Gleitlagers. Erfindungsgemäß wird daher die erste Drehzahl als ein Indikator für etwaigen Verschleiß oder Beschädigungen des Gleitlagers herangezogen. Als Kriterium zur Beurteilung des Zustands des Gleitlagers dient ein Schwellwert, mit dem die erste Drehzahl verglichen wird.
Überschreitet die erste Drehzahl den Schwellwert, ist anzunehmen, dass das Gleitlager verschlissen oder beschädigt ist. In diesem Fall sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, das Gleitlager durch selbstheilenden Verschleiß zu regenerieren. Das Lager wird also derart betrieben, dass sich ein selbstheilender Verschleißeffekt einstellt, d.h. das Lager wird Betriebszuständen ausgesetzt, in denen sich ein selbstheilender Verschleißeffekt einstellt. Andere Betriebszustände werden dabei vermieden.
Charakteristisch für derartige Betriebszustände ist etwa das Auftreten von Mischreibung in dem Lagerspalt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird eine zweite Drehzahl ermittelt. Dies geschieht bevorzugt im Anschluss an die oben beschriebenen Verfahrensschritte. Die zweite Drehzahl zeichnet sich wie die erste Drehzahl dadurch aus, dass ein Übergang des Schmierungszustands des Gleitlagers stattfindet oder die Reibung in dem Gleitlager minimal ist. Die erste Drehzahl und die zweite Drehzahl werden daher auf gleiche Weise ermittelt. Obige Ausführungen bezüglich der Ermittlung der ersten Drehzahl gelten mutatis mutandis für die zweite Drehzahl.
Die zweite Drehzahl dient dazu, den Effekt der Selbstheilung zu überprüfen. Je kleiner die zweite Drehzahl ist, desto erfolgreicher war die Selbstheilung.
Bevorzugt wird die zweite Drehzahl mit der ersten Drehzahl verglichen. So kann etwa die Differenz zwischen der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl berechnet werden. Je größer diese Differenz ist, desto erfolgreicher war die Selbstheilung.
Alternativ ist es möglich, die zweite Drehzahl mit einer vorbestimmten Referenzdrehzahl zu vergleichen. Bei der Referenzdrehzahl kann es sich etwa um eine Drehzahl handeln, bei der ein Übergang des Schmierungszustands eines unbeschädigten Referenzlagers stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Referenzlager minimal ist. Als Referenzlager dient bevorzugt ein Gleitlager im Neuzustand. Insbesondere kann es sich um das oben genannte Gleitlager im Neuzustand handeln. Die Referenzdrehzahl wird dann ermittelt, bevor das Gleitlager eingebaut wird.
In Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Führt der Vergleich zu dem Ergebnis, dass die Selbstheilung erfolgreich war, kann das Gleitlager unverändert weiter betrieben werden. War die Selbstheilung hingegen nicht erfolgreich, wird etwa eine Warnung ausgegeben, damit das Gleitlager rechtzeitig erneuert wird. Auch ist es möglich, das Gleitlager so zu betreiben, dass bestimmte Betriebszustände, die besonders belastend für das Gleitlager sind, vermieden werden.
Ein erfindungsgemäßes Steuergerät implementiert das erfindungsgemäße Verfahren oder eine bevorzugte Weiterbildung. Mit Steuergerät wird eine Datenverarbeitungsvorrichtung bezeichnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Im Einzelnen zeigt:

1 zwei Stribeck-Kurven.

In 1 sind eine erste Stribeck-Kurve 101 und eine zweite Stribeck-Kurve 103 dargestellt. Der ersten Stribeck-Kurve 101 sind die drei Betriebszustände Grenzreibung 105, Mischreibung 107 und Flüssigkeitsreibung 109 zugeordnet. In dem sogenannten Ausklinkpunkt B findet ein Übergang von der Mischreibung 107 zur Flüssigkeitsreibung 109 statt. In Punkt A ist die Reibung minimal.
Durch selbstheilenden Verschleiß geht die erste Stribeck-Kurve 101 in die zweite Stribeck-Kurve über. Die zweite Stribeck-Kurve 103 ist gegenüber der ersten Stribeck-Kurve in Richtung niedriger Drehzahlen bzw. nach links verschoben. Entsprechend sind auch die Punkte A und B verschoben. Je weiter die Verschiebung, d.h. je größer der Abstand zwischen den entsprechenden Punkten A bzw. B der ersten Stribeck-Kurve 101 und der zweiten Stribeck-Kurve 103, desto erfolgreicher war die Selbstheilung. Der Abstand der entsprechender Punkte A, B beider Stribeck-Kurven 101, 103 lässt sich daher als Indikator für den Erfolg der Selbstheilung heranziehen.
Bezugszeichenliste

101: erste Stribeck-Kurve
103: zweite Stribeck-Kurve
105: Grenzreibung
107: Mischreibung
109: Flüssigkeitsreibung

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Gleitlagers; mit den Schritten - ermitteln einer ersten Drehzahl, bei der ein Übergang des Schmierungszustands stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Gleitlager minimal ist; - vergleichen der ersten Drehzahl mit einem Schwellwert; und - wenn die Drehzahl den Schwellwert überschritten hat, Betrieb des Lagers derart, dass sich ein selbstheilender Verschleißeffekt einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1; mit den Schritten - ermitteln einer zweiten Drehzahl, bei der ein Übergang des Schmierungszustands des Gleitlagers stattfindet, oder bei der die Reibung in dem Gleitlager minimal ist; und - vergleichen der ersten Drehzahl und der zweiten Drehzahl.
Steuergerät, auf dem ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert ist