Gleitlager
Das Gleitlager ist neben dem Wälzlager die im Maschinen- und Gerätebau am häufigsten gebrauchte Lagerbauart.
Im Gleitlager haben die beiden sich relativ zueinander bewegenden Teile direkten Kontakt. Sie gleiten aufeinander gegen den durch Gleitreibung verursachten Widerstand. Dieser kann niedrig gehalten werden durch Wahl einer reibungsarmen Materialpaarung, durch Schmierung oder durch Erzeugen eines Schmierfilms (Vollschmierung), der die beiden Kontaktflächen voneinander trennt. Wenn sich die beiden Teile berühren, was bei den meisten verwendeten Gleitlagern der Fall ist, entsteht in den Kontaktflächen Verschleiß, der die Lebensdauer begrenzt. Die Erzeugung des trennenden Schmierfilms bei Vollschmierung verlangt einen Zusatzaufwand, der nur für große Lager in großen Maschinen in Frage kommt. Der Gleitwiderstand bewirkt Umwandlung eines Teiles der Bewegungsenergie in Wärmeenergie, die in die Lagerteile fließt und gegebenenfalls abzuleiten ist.
Unterscheidung nach Art des Gleitwiderstands
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Man unterscheidet zwischen einfachen Gleitlagern (ungeschmiert oder mit Fett geschmiert), hydrodynamischen Gleitlagern und hydrostatischen Gleitlagern. Der Gleitwiderstand ist Festkörperreibung, Mischreibung oder Flüssigkeitsreibung.
Reibungskoeffizient μ als Funktion der Relativgeschwindigkeit im Schmierspalt eines hydrodynamischen Gleitlagers
Gleitlager mit Festkörperreibung
In Gleitlagern mit Festkörperreibung (auch Trockenreibung) 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 aus Stahl.
Gleitlager mit Flüssigkeitsreibung
In Gleitlagern, bei denen es auf Langlebigkeit und niedrigen Energieverlust (zum Beispiel bei Energieumwandlung in Turbinen und Generatoren) ankommt, wird Vollschmierung angewendet, wobei Flüssigkeitsreibung erfolgt. Der Schmierfilm muss unter Druck gesetzt werden, damit er die Kontaktflächen gegen die Lagerkraft voneinander trennen kann. Bei hydrostatischen Gleitlagern wird dazu eine Ölpumpe verwendet.
Bei hydrodynamischen Gleitlagern wie vielen Nockenwellen- und Kurbelwellenlagern wird der Öldruck im Schmierfilm durch die beiden zueinander bewegten Kontaktflächen selbst erzeugt. Ohne eine zusätzliche Pumpe bildet sich der Schmierfilm hier beim Anfahren der Bewegung erst mit Verzögerung aus, so dass zu Beginn ebenso wie kurz vor Stillstand zeitweise Mischreibung besteht.
Spiralrillenlager
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. Flach geätzte oder mit dem Laser herausgearbeitete Nuten sind häufig ausreichend. Eingesetzt wird die spiralförmige Nutung etwa bei besonders leise laufenden Computer-Lüftern. Schnelllaufende Lager werden auch luftgeschmierter Ausführung angeboten.
Gleitlager mit Mischreibung
Bei geschmierten Gleitlagern tritt mit steigender Last und sinkender Drehzahl Mischreibung auf. In der Stribeck-Kurve ist dies der Bereich links vom Minimum, rechts vom Minimum beginnt der Bereich der verschleißfreien hydrodynamischen Gleitlager. Im Mischreibungsbereich befindet sich der Schmierstoff (fest, fettig oder ölig) in den Mikrorauhigkeiten (Vertiefungen) der Kontaktflächen, während sich nur die Spitzen dieser Rauhigkeiten berühren, was im Vergleich zum ungeschmierten Lager den Gleitwiderstand herabsetzt.
Gleitlagerwerkstoffe
Das typische Gleitlager ist ein Radiallager für die radiale Lagerung einer Welle, deren Laufflächen gehärtet sind.
Die Welle wird von der Lagerbuchse umgriffen, deren Werkstoff ganz verschieden sein kann, zum Beispiel:
- Bronze (Kupfer-Zinn-Legierung)
- Weißmetall (Blei-Zinn-Legierung)[1]
Miba Weißmetall Kippsegment Gleitlager - mit Blei legiertes Lagermetall
- Aluminiumlegierungen
- Kunststoffe (zum Beispiel PTFE)
- Keramik (in geringerem Umfang auch faserverstärkt)
- Messinglegierungen
- Pockholz und andere Eisenhölzer (in der Anfangszeit des Maschinenbaus)
Der Werkstoff der Buchse wird „weicher“ als der der Welle gewählt, damit der Verschleiß vorwiegend dort auftritt. Ihre Auswechslung ist einfacher und billiger als die der Welle. Sie wird oft zwei-geteilt hergestellt: zwei Halbschalen, die radial von der Welle entfernt werden können.
Graphitlager (massiv)
Graphit (Kohlenstoff) ist als Lagerwerkstoff geeignet, da sein Abrieb selbstschmierend wirkt. Die Kohlenstoffmodifikation Graphit besitzt Kristallebenen, die leicht aufeinander gleiten können. Graphit-Lager sind zudem vorteilhaft, wenn elektrische Ströme über Lagerstellen übertragen werden müssen, was bei anderen Lagern – sowohl Gleitlagern als auch insbesondere Kugellagern – vermieden werden sollte, da Ströme durch Kontaktstellen unterschiedlicher Metalllegierungen Materialabtrag mit sich bringen.
Zu beachten ist, dass bei diesen Lagern bei höherer Belastung und damit steigender Temperatur der Reibkoeffizient deutlich ansteigt. Dennoch sind sie für höhere Temperaturen geeignet, bei denen geschmierte Lager bereits versagen.
Ein Beispiel für ein Graphitlager ist das Axiallager zur Betätigung der Kupplung in älteren Kraftfahrzeugen.
Vergleiche auch Schleifkontakt.
Keramiklager
Als keramischer Werkstoff wird zum Beispiel Siliciumcarbid in Pumpen verwendet, in Großpumpen auch faserverstärkt. Die Gleitlager liegen im Pumpengehäuse und werden mit der geförderten Flüssigkeit geschmiert. Die Korrosionsbeständigkeit und der durch die Härte bedingte extrem niedrige Verschleiß sind die großen Vorteile dieser Lager. Probleme ergeben sich jedoch beim Trockenlauf der Pumpen.
Kunststoffgleitlager
Bereits im Jahre 1869 bezeichnete Daniel Spill, ein Partner von Alexander Parkes, den Kunststoff Xylonite als geeignet, um daraus „Gears and Friction Wheels“ (Zahnräder und Reibräder) sowie „Bearings for Machinery“, also Gleitlager, herzustellen.[2]
Moderne Kunststoffgleitlager bestehen aus speziellen, selbstschmierenden Kunststoffen. Sie eignen sich für niedrige bis mittlere Lagerkräfte. Im Gegensatz zu anderen Materialien ist bei ihnen die Gefahr des „Festfressens“ äußerst klein. Kunststoffgleitlager zählen somit zu den wichtigsten Vertretern bei den schmierungs- und wartungsfreien Gleitlagern.
Es handelt sich hierbei um sogenannte Verbundwerkstoffe, die aus Basispolymer, Verstärkungsstoffen (zum Beispiel: Fasern und Füllstoffen) und aus eingebetteten Festschmierstoffen oder Ölen bestehen. Während des Betriebs gelangen diese Schmierstoffe durch Mikroverschleiß ständig an die Oberfläche und senken so Reibung und Verschleiß der Lager. Der verwendete Kunststoff ist meistens PTFE (Polytetrafluorethylen) wegen seines besonders geringen Reibungskoeffizienten gegen andere Stoffe (so auch gegen Stahl).
Generell gibt es Kunststoffgleitlager in vielen verschiedenen Varianten, je nach gewünschter Eigenschaft. In der Regel sind sie schmiermittelfrei, korrosionsbeständig, leicht und schmutzunempfindlich. Für spezielle Einsatzfälle haben diverse Hersteller Sondermaterialien im Angebot, wie elektrisch-leitende oder lebensmitteltaugliche (FDA-konforme) Lager.
Bei geringerwertigen Lagern, bei denen beide Partner aus Thermoplast bestehen, ist PTFE in den dafür erforderlichen Schmierstoffen enthalten.
Sinterlager
Aus Bronze oder Eisen gesinterte Lagerbuchsen sind weniger dicht als massive. In ihren Poren kann sich der Schmierstoff einlagern (Mischreibung). Verharzter Schmierstoff kann durch Erhitzen aus den Poren entfernt werden. Danach werden die Buchsen neu mit Öl getränkt.
Sinterlager befinden sich in vielen kleinen Elektromotoren, z. B. von Mabuchi Motor sowie die Antriebe von PC-Lüftern.
Auch langsam laufende Wellen in einfachen, robusten Konstruktionen, bei denen es nicht auf präzise Führung ankommt, werden als Sinterlager ausgeführt; z. B. die Antriebswellen von kleinen Betonmischern.
Auch Gleitbuchsen in Linearlagern werden oft als Sinterlager ausgeführt.
Steinlager
Lagerbuchsen aus weitgehend einkristallinem Rubin werden besonders in kleinen mechanischen Uhren, Instrumenten und Waagen eingesetzt. Sie arbeiten gegen Stahl und werden bei Uhren geschmiert, bei Waagen jedoch nicht. Steine werden bei höherwertigen Uhren in größerer Zahl zumindest bei der Unruh-Lagerung eingesetzt.
segmentierte Lauffläche des Axiallagers einer Schiffswelle. Zwischen den Segmenten kann das Schmiermittel an die Lagerfläche treten.
Einzelnachweise
- Miba Weißmetall Gleitlager.
- Stephein Fenichell: „Plastic – The Making Of A Synthetic Century“, ISBN 0-88730-732-9, zitiert nach Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier: Fit, auch für’s Extreme, in: Konstruktionspraxis spezial Antriebstechnik, April 2013