Gleitlager-Auslegung Damit es rund läuft: Simulation optimiert Gleitlager

Belastbarkeit und Lebensdauer eines Gleitlagers ergeben sich aus dem optimalen Zusammenspiel seiner Komponenten. Mit Tribo-X inside Ansys lassen sich Parameterstudien schnell durchführen, um das Lagerdesign anzupassen – wie das Beispiel des Hochdruck-Spezialisten Hammelmann zeigt.

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Mit der Cadfem-Extension Tribo-X inside Ansys koppeln Anwender Hydrodynamik und FEM, um gleitgelagerte Wellen mit Simulation zu optimieren.
Mit der Cadfem-Extension Tribo-X inside Ansys koppeln Anwender Hydrodynamik und FEM, um gleitgelagerte Wellen mit Simulation zu optimieren.
(Bild: Cadfem)

Belastbarkeit und Lebensdauer sind wichtige Qualitätsmerkmale von hydrodynamischen Gleitlagern. Diese hängen ab von einem möglichst perfekten Zusammenspiel von Welle, Lager und Lagergehäuse. Angesichts unterschiedlichster Einbauszenarien und der Komplexität der Tribologie in Gleitlagersystemen ist die Dimensionierung der Komponenten kein Kinderspiel. Entsprechend hoch ist der Entwicklungsaufwand.

Ein großer Zeitfresser sind dabei Prüfstanduntersuchungen, denn es kann Tage dauern, bis sich im Trial-and-Error-Verfahren eine akzeptable Konfiguration der Baugruppe ergibt. Mit Tribo-X inside Ansys stellt das Simulationshaus Cadfem gemeinsam mit dem Tribologiespezialisten Tribo Technologies GmbH ein Simulationstool für die Entwicklung passgenauer und langlebiger hydrodynamischer Gleitlager vor.

Herausforderung: Präzision

Bereits im Einsatz ist das Tool bei dem Unternehmen Hammelmann aus Oelde, Experte für Hochdruckpumpen und -systeme. Hydrodynamische Gleitlager nehmen dabei eine Schlüsselfunktion ein:

Die Gleitlager sind als kraftübertragende Teile eine Kernkomponente der Hochdruckpumpe. Da kommt es auf wenige Mikrometer an. Hier geht’s um echte Tribologie.

Felix Hartmann, Teamkoordinator Konstruktion Pumpen bei Hammelmann

Plungerpumpen von Hammelmann erreichen Drücke von bis zu 4.500 bar und eignen sich damit für Spezialanwendungen in der Industrie.
Plungerpumpen von Hammelmann erreichen Drücke von bis zu 4.500 bar und eignen sich damit für Spezialanwendungen in der Industrie.
(Bild: Hammelmann)

Gefragt ist also Präzision. Und um keine Potenziale zu verschenken, geht man bei Hammelmann bei der Auslegung der Gleitlager digitale Wege. Mit der Software Tribo-X inside Ansys erfolgt die Dimensionierung der Bauteile und ihres Zusammenwirkens am Computer. Erst wenn mit Tribo-X inside Ansys eine perfekte Lösung gefunden wurde, wird sie einmalig am Prüfstand verifiziert. Felix Hartmann fasst zusammen:

Der Simulationseinsatz ermöglicht den einfachen Vergleich von unterschiedlichen Designvarianten und das bei verhältnismäßig kurzen Antwortzeiten.

Kein Kinderspiel: In hydrodynamischen Gleitlagern im Pleuel wirken komplexe tribologische Effekte mit unmittelbaren Auswirkungen auf den Wirkungsgrad.
Kein Kinderspiel: In hydrodynamischen Gleitlagern im Pleuel wirken komplexe tribologische Effekte mit unmittelbaren Auswirkungen auf den Wirkungsgrad.
(Bild: Hammelmann)

Anwendungsbeispiel: Redesign der Lagerschale einer Plungerpumpe

Reinigung, Schichtabtrag oder Wasserstrahlschneiden sind typische Einsatzgebiete für Plungerpumpen. Die Produkte von Hammelmann sind sowohl für Drücke bis 4500 bar als auch für Fördermengen bis zu 3000 l/min ausgelegt. Solche Geräte unterliegen strengen Vorschriften, die sich immer wieder ändern können – und Hersteller müssen darauf reagieren. Ein typisches Beispiel ist die EU-Verordnung REACH zur Vermeidung von Blei in der Legierung der Gleitlagerschalen.

Simulation des hydrodynamischen Drucks im Gleitlager bei einer Taschenposition von 60 °. Durch Simulation wurde die richtige Position der Taschen für einen optimalen Druckaufbau ermittelt.
Simulation des hydrodynamischen Drucks im Gleitlager bei einer Taschenposition von 60 °. Durch Simulation wurde die richtige Position der Taschen für einen optimalen Druckaufbau ermittelt.
(Bild: Hammelmann)

Für das Redesign erhielt die Lagerschale unmittelbar im Simulationsmodell die neue, vorschriftskonforme Legierung. Mit Tribo-X inside Ansys wurde das elasto-hydrodynamische Verhalten untersucht. Schnell fiel dabei auf, dass das neue, bleifreie Material – bei ansonsten unveränderten Parametern – zu mehr Reibung und Verschleiß und damit zu einer signifikant verschlechterten Tragfähigkeit der Gleitlagerung führt.

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Was Tribo-X inside Ansys kann

Mit Tribo-X inside Ansys lassen sich Parameterstudien schnell durchführen, um das Design von Gleitlagern unterschiedlichen Anwendungsfällen anzupassen. Highlights sind laut Cadfem:

  • Vollständige Integration der Gleitlagerberechnung mit Tribo-X in Ansys Workbench.
  • Kurze Berechnungszeiten trotz hohem Detaillierungsgrad.
  • Berücksichtigung elastischer Verformungen des Lagers (EHD) und deren Rückwirkung auf die Spaltgeometrie.
  • Vollständige Abbildung der Stribeckkurve durch Berücksichtigung von Oberflächenrauheiten.
  • Identifikation drehzahl- und lastabhängiger Lagerkoeffizienten für weitergehende Rotordynamik-Analysen.
  • Einfache Durchführung von Parameterstudien durch vollparametrischen Workflow.

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Weniger Reibungsverlust, mehr Lebensdauer

Am Simulationsmodell haben die Hammelmann-Ingenieure anschließend verschiedene Strategien zur Kompensation des Leistungsverlustes analysiert. Schnell war klar, dass die beiden Schmierstofftaschen eine neue Position benötigen und auch das Lagerdesign angepasst werden muss. Diese Konfiguration hat sich dann auf Anhieb am Prüfstand bestätigt. Felix Hartmann: „Ein weiterer Vorteil der Simulation ist, dass im Vergleich zu den Prototypen bei der Simulation die kritischen Bereiche und die erforderlichen Toleranzgrenzen genauer analysierbar sind. Ferner können die Belastungsgrenzen exakt ermittelt werden und das gesamte Maschinenverhalten ist besser steuerbar.“

Das wurde auch bei diesem Projekt ausgenutzt: Dank der optimierten Lagerschale sinken Reibungsverluste und demzufolge auch der Energieverbrauch der Pumpe signifikant bei gleichzeitig längerer Lebensdauer.

Mehr Infos dazu auf dem 23. International Colloquium Tribology 2022

Vom 25. bis 27. Januar 2022 treffen sich in Ostfildern bei Stuttgart Tribologie-Experten anlässlich des 23. International Colloquium Tribology der Technischen Akademie Esslingen. Die Veranstaltung findet im Hybrid-Modus statt. Vincent Hofmann von Tribo Technologies wird dem Fachpublikum am 26. Januar im Rahmen der Session „Digitalization in Tribology“ die skizzierte Anwendung bei Hammelmann in einem ausführlichen Vortrag „Designing a REACH Conform Small Conrod Bearing of a Plunger Pump with the Help of EHD Simulation“ unter tribologischen Gesichtspunkten vorstellen. Informationen zum Colloquium:

Mehr Infos zum Tribologie-Kolloquium 2022.

* Der Beitrag basiert auf einer Pressemitteilung von Cadfem.

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