NL1024091C2

NL1024091C2 - Glijlager met verbeterde oppervlaktetopografie.

Info

Publication number: NL1024091C2
Application number: NL1024091A
Authority: NL
Inventors: Eusthatios Ioannides; Hugh Alexander Spikes; Richard Stanley Sayles; Petra Brajic-Mitidieri
Original assignee: Skf Ab
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-02-15
Also published as: CN1856659A; WO2005015035A1; US20070140608A1; US7682081B2; EP1654469A1

Description

«

Gliilaeermet verbeterde oppervlaktetopografie.

De uitvinding betreft het gebied van glijlagercontacten. Dergelijke glijcontacten komen voor op verschillende plaatsen bij allerlei soorten machines, en in het bijzonder 5 de lagercomponenten daarvan. Als voorbeeld wordt verwezen naar het contact tussen de kooi en de wentelelem enten van een lager, of tussen de wentelelementen en de flens van een lagering van een kegellager.

In zijn algemeenheid is het wenselijk om de wrijving in dergelijke glijlagercontacten te reduceren. Een gereduceerde wrijving verlengt de lagerlevensduur 10 ten gevolge van lagere temperaturen die in bedrijf in het lagercontact worden opgewekt. Dit heeft een gunstige invloed op de eigenschappen van het smeermiddel waardoor de gewenste dikte van de smeermiddelfilm in het lagercontact kan worden gehandhaafd. Aldus kan slijtage van de oppervlakken in het glij contact binnen aanvaardbare grenzen worden gehouden.

15 Het doel van de uitvinding is de kwaliteit van lagers met een glijcontact verder te verbeteren. Dit doel wordt bereikt door een glijlagercontact omvattende twee tegenover liggende lageroppervlakken die elk een spleet insluiten die een smeermiddelfilm bevat, welke lageroppervlakken met betrekking tot elkaar beweegbaar zijn op een in zijn algemeenheid evenwijdige wijze, waarbij ten minste één van die oppervlakken is 20 voorzien van ten minste één holte, welke holte een diepte heeft die tenminste gelijk is aan de dikte van de smeermiddelfilm. In bedrijfsomstandigheden kan de dikte van de smeermiddelfilm liggen in het gebied van 0,01 μχα tot 10 μιη.

Bij voorkeur is de diepte van de holte tenminste gelijk aan 10 maal de dikte van de smeermiddelfilm. Nog betere resultaten worden verkregen in geval de diepte van de 25 holte tenminste gelijk is aan 20 maal de dikte van de smeermiddelfilm. Een holte met diepte tot 30 maal de dikte van de smeermiddelfilm ongeveer betreft de uitvoeringsvorm die nog steeds een merkbare nuttige bijdrage levert aan het verminderen van de wrijving.

Verder blijkt het gunstig indien de som van de oppervlaktegebieden van alle 30 holten van een en hetzelfde lageroppervlak ten minste 15% bedraagt van het contactgebied van de lageroppervlakken. Aan de andere kant moet de som van de oppervlaktegebieden van alle holten van een en hetzelfde lageroppervlak ten hoogste 50% bedragen van het contactgebied van de lageroppervlakken.

1024091* I 2 I Verder blijkt het nuttig indien het totale holtegebied is verdeeld over meer dan I één holte. Bij voorkeur bezit ten minste een van de oppervlakten ten minste 4 holten.

I Verder kunnen ten hoogste 8 holten worden toegepast.

I In geval één en slechts één holte is voorzien, bevindt die holte zich bij voorkeur I 5 op bij benadering gelijke afstanden van de inlaat en de uitlaat.

hi geval ten minste twee holten zijn voorzien, is de afstand tussen de voorste I holte en de inlaat bij voorkeur groter dan de afstand tussen de achterste holte en de I uitlaat. Het zwaartepunt van een holte of van een groep holten kan zich bevinden op I een afstand van 0,6 tot 0,8 maal de lagerlengte vanaf de inlaat I 10 De uitvinding zal nu beschreven worden onder verwijzing naar verschillende I voorbeelden van een glijlager.

I Figuur 1 toont een langsdoorsnede door een glijlager van het lineaire wigtype I volgens de stand van de techniek.

I Figuur 2 toont een langsdoorsnede door een glijlager volgens de uitvinding.

I 15 Figuur 3 toont een grafiek met de druk als functie van de lengte langs de I onderwand van het glijlager volgens figuur 2.

I Figuur 4 toont een grafiek met de afhankelijkheid van de wrijvingscoëfficiënten I van de diepte van de holte van het glijlager volgens figuur 2.

I Figuur 5 toont een grafiek met de drukverdeling voor alle gevallen, alsmede voor

I 20 het tweedimensionale Reynolds-geval langs het onderoppervlak. I

Figuur 6 toont een detail op grotere schaal van figuur 5. I

I Figuur 7 toont een grafiek waarin de wrijvingscoëfficiënten van alle gevallen I

I . worden vergeleken met zowel de bovenwand van de holte evenwijdig aan het I

I stationaire bovenoppervlak en evenwijdig aan het onderste, beweegbare oppervlak. I

25 Figuur 8 toont een grafiek met een wrijvingscoëfficiëntverhouding voor I

I verschillende posities van de holte. I

I Figuur 9 toont een grafiek met de drukverdeling voor alle gevallen inclusief het I

I tweedimensionale Reynolds-geval, met de holte op verschillende posities. I

Figuur 10 toont een langsdoorsnede door een glijlager met een meervoud aan I

I 30 holten. I

Figuur 11 toont een grafiek met de drukverdeling voor gevallen met vier holten, I

inclusief het tweedimensionale Reynolds-geval, waarbij het holtegebied 25% van het I

totale gebied bedraagt I

I 1024091 3

Figuur 12 toont een bovenaanzicht van de bovenwand van een driedimensionale uitvoeringsvorm van het glijlager volgens de uitvinding

Figuur 13 toont een grafiek met de drukverdeling langs het onderoppervlak van het glijlager volgens figuur 12, voor y=0 m.

5 Figuur 14 toont een verdere uitvoeringsvorm met twee holten

Figuur 15 toont een grafiek met de drukverdeling voor de uitvoeringsvorm van figuur 4 langs het onderoppervlak voor y = 0 m.

In figuur 1 is een bekend glijlager getoond van het zogenaamde oneindig lange 10 lineaire wigtype. Het glijlager bezit een onderoppervlak 1 een bovenoppervlak 2 die respectievelijk een onderste lageroppervlak 3 en een bovenste lageroppervlak 4 bepalen. Tussen de oppervlakken 3,4 is een film van smeermiddel, bijvoorbeeld olie, ingesloten. Aangenomen wordt dat het onderste orgaan 1 in de rechter richting beweegt met betrekking tot het bovenste orgaan 2 in figuur 1. Dientengevolge treedt er een 15 beweging op van de film 5 door de spleet 6 zoals bepaald tussen de organen 1,2. In het bijzonder beweegt de smeenniddelfilm 5 door de spleet 6 van de inlaat 7 daarvan naar de uitlaat 8.

Zoals duidelijk is in figuur 1 is bij de ingang 7 de maximale dikte van de film 5 hj, en bij de uitlaat 8 ho. De lengte van het glijlager en derhalve van de spleet 6 is 20 aangegeven met B. De snelheid van het onderste orgaan 1 met betrekking tot het bovenste orgaan 2 is aangeduid met U. De Cartesiaanse coördinaten x en z zijn eveneens weergegeven.

Er wordt op gewezen dat figuur 1 een twee-dimensionaal geval betreft, hetgeen betekent dat geen rekening wordt gehouden met de andere Cartesiaanse coördinaat y. 25 De wrijvingscoëfficiênt is bepaald als

_ F_ μ W

en door de wrijvingscoëfficiênt uit te drukken in de dimensieloze waarden voor last en 30 wrijving wordt de volgende formule' verkregen: ho F* u=-- B 6W* 1024091

I

I 4

I Figuur 3 toont de drukken op de onderwand voor de tweedimensionale lineaire I

I wig volgens figuur 1, zowel verkregen door middel van de bekende Reynolds- I

I oplossing die hiervoor gegeven alsmede aan de hand van numerieke resultaten I

I 5 verkregen door fluïdumdynamica-berekeningen volgens de uitvinding. I

I In de uitvoeringsvorm van figuur 2 is een holte bepaald door een diepte I13, I

I aanwezig in het bovenoppervlak 4. Tabel 1 toont de resultaten voor het geval waarbij I

I de bovenwand 9 van de holte 10 evenwijdig is aan de bewegende wand. Verder is I

I aangenomen dat het bovenoppervlak 4 van de spleet 7 evenwijdig is aan de bewegende I

I 10 onderwand 3. Aangezien er geen analytische oplossing is voor deze geometrie, zijn I

slechts de numerieke resultaten voor de totale belasting 16 en voor de totale frictie 17 I

I beschikbaar. Deze resultaten zijn weergegeven in tabel 1. Uit deze tabel 1 en uit figuur I

I 4 is duidelijk dat de wrijvingscoëfficiënt afheemt wanneer de hoogte van de holte I13 I

I toeneemt I

I 15 I

I Tabel 1 I

I Hoogte van de Belas- Wrij- Dimensie- Dimensie- Wrijvings CoëfF. I

holte [m] ting ving loze last loze wrij- coëffi- verhou- I

I [mFa] [mPa] ving ciënt. ding I

I h3 W/L F/L W* F* μ ^2drq> I

I 2D (Reynolds) 635544 154.518 0.0265 0773 2.43 le-4 1 I

I 2D(CFD) 630643 150.221 0.0263 Ö75Ï 2.382e-4 0.980 I

I 2D(CFD) 633435 152.435 0.0264 Ö762 2.406e-4 0.990 I

I 2D(CFD) 634212 153.143 0.0264 Ö766 2.415e-4 Ö993 I

I 3.5. ΙΟ"* 625077 144.771 0.0260 0724 2.316e-4 0.953 I

I 5.10·6 618906 139.261 0.0258 0.696 2.250e-4 0.926 I

I 5.5. ÏO"6 618006 138.751 0.0258 Ö694 2.245e-4 Ö923 I

I 10.10-6 612759 125.923 0.0255 Ö63Ö 2.055e-4 0.845 I

I 12.5.10* 611860 120.851 0.0255 Ö6Ö4 1.975e-4 0.812 I

I 15.10** 611353 118.494 0.0255 Ö592 1.938e-4 0.797 I

I 20.10* 610857 115.625 0.0255 Ö578 1.893e-4 Ö779 I

I 30.10* 610466 113.148 0.0254 ~ 0.566 1.853e-4 0.762 I

I 407105 610340 112.56 0.0254 0.563 1.844e-4 0.759 I

I 1024091 I

5 ί • In een verder geval is aangenomen dat de bovenwand 9 van de holte evenwijdig is aan de stationaire wand 4. De resultaten van dit geval zijn weergegeven in tabel 2.

ί Tabel 2 5

Hoogte Belas- Wrijving Dimensieloze Dimensielo- Wrijvings Coëff.

van de ting [mPa] last ze wrijving coëff. ver- holte [m] [mPa] houding H3 W/L F/L “ W*------------ F*----- M ^2DRey Ö 634212 153.143 0.0264 0.766 2.42e-04 0.993 3.5.10-6 625196 144.504 0.026 Ö/723 2.31e-04 0.951 5.10* 618963 139.932 0.0258 0 7 2.26e-04 0.93 5.5.10·* 617726 137.749 0.0257 0.0689 2.23e-04 0.917 10.10* 612755 124.579 0.0255 Ö623 2.03e-04 0.836 12.5.10’ 611845 120.992 0.0255 0.605 1.98e-04 0.814 6 15. ÏO* 611395 118.595 ! 0.0255 0.593 1.94e-04 0.798 20.10* 610866 115.684 0.0255 0.578 1.89e-04 0.779 30.10·* 610485 113.177 0.0254 0.566 1.85e-04 0.763 40.10* 610340 112.58 0.0254 0.563 ' 1.85e-04 0.759

Figuur 5 toont de drukverdeling langs de onderwand voor alle gevallen die zijn opgenomen in tabel 1. Figuur 6 toont het gebied rond de maximale drukken van figuur 10 5 op grotere schaal.

Figuur 7 toont de vergelijking tussen de wrijvingscoefficiënt voor het geval waarbij de bovenwand 9 van de holte 10 evenwijdig aan het stationaire bovenoppervlak 4, en waarbij de bovenwand 9 van de holte 10 evenwijdig is aan het bewegende onderoppervlak 3. Er wordt op gewezen dat in het geval van ondiepe holten kleine 15 verschillen optreden tussen deze gevallen, maar dat voor het geval van diepholten 10 de resultaten sterk overeenkomen.

Verder is het effect van de plaats van de holte 10 zoals bepaald door de afstand Bi bestudeerd. Tabel 3 toont de resultaten voor de berekende last, wrijving en 1024091

Η I

I 6 I

I wrijvingscoëfficiënt. Uit deze tabel 3 is duidelijk dat de positie Bi waar de I

I wrijvingscoëfficiënt minimaal is zich bevindt rond het midden van de lengte van de I

I spleet 6. Dit effect is ook duidelijk weergegeven in figuur 8. I

I De dmkverdeling voor deze gevallen en het tweedimensionaal Reynolds-geval I

I 5 langs het onderoppervlak 3 is weergegeven in figuur 9. I

I Tabel 3 I

I Positie van Belasting Wrij- Dimensielo- Dimensieloze Wrij- Coëff. I

I de holte [mPa] ving ze last wrijving vings ver- I

I [m] [mPa] coëff. houding I

I Bj W/L F/L W* F* M t^faDRey I

I 0.25.10'2 401814 101.18 0.0167 0.506 2.518e-4 1.036 I

I 5 I

I 0.5.10* 482803 102.46 0.0201 Ö5Ï2 2.122e-4 0.873 I

I 4 I

I 0.75.10* 560142 105.37 0.0233 Ö527 1.881e-4 0.774 I

I 0.95. \0mi 604587 109.99 0.0252 0.55Ö 1.819*4 0.748 I

I 2 I

I 1.10* 610340 112.58 0.0254 Ö563 1.845e-4 0.759 I

I ° I

I 1.05.10* 612709 113.65 0.0255 0.568 1.854e-4 0.763 I

I 6 I

I 1.10. ÏO* 610825 Π5.21 0.0255 0.576 1.886e-4 0.776 I

I 4 I

I 1.25.10* 566752 110.20 0.0236 Ö55Ï 1.945e-4 0.800 I

I 9 I

I hi het geval van figuur 2 is een enkele holte 10 aanwezig in het stationaire I

10 bovenoppervlak 4, die ongeveer 25% van de totale lengte B van het glijlager beslaat. In I

I een verder in figuur 10 weergegeven geval zijn vier holten 9 met een lengte Bp I

I toegepast, die ook ongeveer 25% van de totale lengte B van het glijlager beslaan. Deze I

I holten zijn gelijkmatig verdeeld op afstanden Bf. Er zijn drie verschillende gevallen I

I 1024091 7 bestudeerd, elk met een andere afstand Bi voor de eerste holte 10 vanaf de inlaat 7 van de spleet 6. De resultaten voor deze drie gevallen zijn weergegeven in tabel 4.

Tabel 4 5

Positie van Belas- Wrij- Dimensielo- Dimensieloze Wrij- Coëff. de holte ting ving ze last wrijving vings ver- [m] [mPa] [mPa] coefif. houding

Jj W/L F/L W* F* μ μ/μ^Γ 1.875.10'S 487415 112.161 0.0203 0.561 2.301e-4 0.947

Gelijkmatige afstanden 2.5.10’J 472362 102.226 0.0197 Ö5Ï1 2.164e-4 0.890 7.10'3 580376 109.345 0.0241823 0.546726 1.884e-4 0.775

De drukverdeling voor deze drie gevallen langs het onderoppervlak 4 is weergegeven in figuur 11, tezamen met het tweedimensionale Reynolds geval. Het is duidelijk dat een kleinere afstand Bi van de eerste holte 10 tot inlaat 7 niet tot een 10 reductie in de wrijvingscoëfficiënt leidt.

Verder is een geval bestudeerd voorzien van acht holten 10 met een lengte Bp die in totaal tot ongeveer 50% beslaan van de lengte B van het glijlager. Tabel 5 toont dat een dergelijke geometrie niet tot een verdere reductie van de wrijvingscoëfficiënt leidt 1024091 I 8 I Tabel 5 I Positie Belas- Wrijving Dimensie- Dimensieloze Wrijvings- Coëff.

I van de ting [iriPa] loze last wrijving coëfficiënt verhouding holte [mPa] I [m] I ~Bi W/L F/L W* F* μ μ/μ^Λ* I 5.10V 353811 115.498 0.0147 0.577 3.264e-4 L343 I 10.10*° 333489 102.951 0.0139 Ö5Ï5 3.087&4 L27Ö I 20.10* 325079 87.594 0.0135 Ö438 2.694e-4 1ÏÏÖ8 I 40.10* 322323 79.137 0.0134 Ö.396 2.455e-4 LÖÏÖ 5 De voorgaande studies hebben alle betrekking op tweedimensionale gevallen.

I Vervolgens is het gedrag van een güjlager met een driedimensionale lineaire wig I bestudeerd, met een enkele holte. De uitvoering in bovenaanzicht daarvan is I weergegeven in 12. L betreft de lagerbreedte. Li betreft de afstand van de holte 10 van I de laterale grenslaag van de spleet 6 van het glijlager, óver de Lp bepaalt de breedte van I 10 de holte 10. De volgende grootheden zijn gekozen: I B = L = 2.10'2 m, Bp = Lp =1.10'2 m, Li = 0.5.10'2 m.

I Tabel 6 toont de resultaten van de variërende afstand Bi. De drukverdeling langs het onderoppervlak voor y = 0 m is weergegeven in figuur 13.

Tabel 6 I Positie van Belasting Wrijving Dimensie- Dimensie- Wrijvings- Coëff.

I de hólte [m] [mPa] [mPa] loze last loze coëff. verhouding I wrijving I B] W/L F/L W* F* μ μ/μΐΰΚφ I Ö 275882 150.011 0.0115 0.750 5.438e-4 1 I 5.10*3 219692 118.527 0.0092 0593 5.395e-4 Ö992 7.5.10** 242436 116.481 0.0101 Ö582 4.805e-4 Ö884 I 7.7.10'j 242467 116.192 0.0101 Ö58Ï 4.792e-4 Ö88Ï I 8.10'3 241370 ÏÏ5.671 0.0101 0.5784 4.792e-4 Ö88Ï I 8.5.10*3 234995 114.561 ÖÖÖ98 0573 4.875e-4 Ö896 I 1024091 9

Tenslotte is de uitvoeringsvorm van figuur 14 bestudeerd waarin twee holten met overeenkomstige vorm en afinetingen zijn toegepast. Deze afmetingen zijn: B = L = 2.10'2 m, Lp = 2. Bp = 1.10*2 m, Li = 0.5.10‘2 m.

5 Tabel 7 toont de resultaten van de variërende afstanden Bi en B2, figuur 15 toont de drukverdeling langs het onderoppervlak voor y - 0 m.

Tabel 7

Positieven Spleet Last Wrij- Dimen- Dimen Wrij- Coëff.

de eerste tussen de [mPa] ving sieloze sieloze vings- ver· holte [m] holten [m] [mPa] last wrij- coëff. hou- ving ding % % W/L F/L W* F* μ μ/μ3Β Ö 0 275882 150.011 0.0115 0.750 5.438e-4 ï 5.10'J 2.5.10‘3 230303 117.07 0.0096 0.585 5.083e-4 0.935 6. ΙΟ'3 ΓΤΪσ3 236121 117.376 0.0098 0.587 4.971e-4 0.914 6.5.10'J ΓΤΪσ3 237723 116.784 0.0099 0.584 4.912e-4 0.903 6.5.10'J 1.5.103 234126 116.147 0.0098 Ö.581 4.961e-4 0.912 7.10‘3 1.10*3 236597 116.021 0.0099 0.580 4.904e-4 0.902 8.10'3 0.5.10'J 233Ö85 114.82 0.0097 0.574 4.926e-4 0.906 10 Hoewel in de hiervoor gegeven beschrijving alsmede in de figuren verwezen is naar een wig met niet-evenwijdige lageroppervlakken, heeft de uitvinding ook betrekking op evenwijdige lageroppervlakken.

VERKLARING

15 hi maximale filmdikte (zie fig. 1) ho minimale filmdikte I13 hoogte van de holte (zie fig. 2) B lagerlengte L lageibreedte 20 U snelheid in de x richting van de onderwand x,y,z Cartesiaanse coördinaten 1024091

10 I

t tijd(en) I

p druk I

p dichtheid I

η dynamische viscositeit I

5 v lrinematische viscositeit v = ij/p I

W totale last I

F totale wrijving I

W* dimensieloze last I

F* dimensieloze wrijving. I

10 I

HOOFDWAARDEN I

B = 2* 10'2 m I

I U = lm/s I

I 15 ho = 1 * ÏO"6 m I

I h, = 2 * ÏO*6 m I

I p = 103 kg/m3 I

I η 10*2Pas I

I v = 10'5m2/s I

I J024G91

Claims

1. Glijlager omvattende twee tegenover liggende lageroppervlakken (3,4) die elk een spleet (6) insluiten die een smeermiddelfilm (5) bevat,welke lageroppervlakken (3, 5 4) met betrekking tot elkaar beweegbaar zijn op een in zijn algemeenheid evenwijdige wijze, waarbij ten minste één (4) van die oppervlakken is voorzien van ten minste één holte (10), welke holte een diepte heeft die tenminste gelijk is aan de dikte van de smeermiddelfilm.

2. Lager volgens conclusie 1, waarbij de diepte van de holte tenminste gelijk is aan 10 maal de dikte van de smeermiddelfilm.

3. Lager volgens conclusie 2, waarbij de diepte van de holte tenminste gelijk is aan 20 maal de dikte van de smeermiddelfilm. 15

4. Lager volgens conclusie 3, waarbij de diepte van de holte maximaal 50 maal de dikte van de smeermiddelfilm is.

5. Lager volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de som van de 20 oppervlaktegebieden van alle holten van een en hetzelfde lageroppervlak ten minste 15% bedraagt van het contactgébied van de lageroppervlakken.

6. Lager volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de som van de oppervlaktegebieden van alle holten (10) van een (4) en hetzelfde lageroppervlak ten 25 hoogste 50% bedraagt van het contactgebied van de lageroppervlakken (3,4).

7. Lager volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij ten minste een van de oppervlakken (3,4) ten minste 4 holten bezit

8. Lager volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij ten minste een van de oppervlakken (3,4) ten hoogste 8 holten bezit 102409t Η

9. Lager volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de spleet (6) tussen I de lageroppervlakken (3) gezien in de relatieve bewegingsrichting een inlaat (7) en een I uitlaat (8) voor de smeermiddelfilm heeft, waarbij een lagerlengte is bepaald tussen die I inlaat (7) en uitlaat (8) en die inlaat (7) en uitlaat (8) zich op een afstand bevinden van I 5 elk van de holten (10). I

10 I

10. Lager volgens conclusie 9, waarbij het middelpunt van een holte (6) of van I een groep holten zich bevindt op een afstand van 0,6 tot 0,8 maal de lagerlengte vanaf I de inlaat (7). I

11. Lager volgens conclusie 9, waarbij één en slechts één holte (6) is voorzien, I I welke holte op bij benadering gelijke afstanden is geplaatst van de inlaat (7) en de I I uitlaat (8). I I IS 12. Lager volgens conclusie 9 of 10, waarbij ten minste twee holten (6) zijn I I voorzien, en de afstand tussen de voorste holte (10) en de inlaat (7) groter is dan de I I afstand tussen de achterste holte (10) en de uitlaat (8). I

12 I

13. Lager volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de holten (10) van I I 20 elkaar zijn geïsoleerd. I

14. Lager volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de dikte van de I I smeermiddelfilm onder bedrijfsomstandigheden in het gebied ligt van 0,01 /un tot 10 I I /rm. I I 25 I I 1024091