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

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

Simulation ermöglicht passgenaue hydrodynamische Gleitlager

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 ein neues Engineering-Werkzeug für Ansys vor, das integriert in Ansys Workbench den Funktionsumfang von Ansys punktuell um spezifische Anwendungen erweitert. Die neue Extension ist gemeinsam mit dem Tribo Technologies GmbH entstanden und wurde entwickelt, um Anwendern ein Simulationstool für die Entwicklung passgenauer hydrodynamischer Gleitlager zur Verfügung zu stellen.

Buchtipp

Das Buch Praxishandbuch Antriebsauslegung hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Das Lagerdesign mit Simulation schnell anpassen

Mit Tribo-X inside Ansys wird das Verhalten gleitgelagerter Wellen in seiner ganzen Komplexität umfassend abgebildet. Die Bestimmung der optimalen Dimensionierung von Gleitlagern lässt sich mit Tribo-X in kurzer Zeit durchführen und direkt am CAD-Modell in Ansys Mechanical visualisieren. Die Software ermöglicht es Anwendern, Parameterstudien binnen Sekunden oder Minuten durchzuführen, um das Lagerdesign den unterschiedlichen Anwendungsfällen anzupassen. Ein einfacher Workflow soll dem Anwender den Einstieg erleichtern.

Darüber hinaus bietet Cadfem noch drei Ergänzungsmodule zu dieser Extension:

  • Lineare Rotordynamik: Das Schwingungsverhalten gleitgelagerter Rotoren wird durch die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Gleitlagers beeinflusst. Die Lagereigenschaften sind dabei stark abhängig von Drehzahl und Betriebslast und tragen maßgeblich zu einem stabilen Betrieb des Rotors bei. Mit dem Modul lassen sich Gleitlagerkoeffizienten für jeden Betriebszustand ermitteln und für die nachfolgende Rotordynamikanalyse in Ansys verwenden.
  • Mischreibung: Mit diesem Modul kann eine hydrodynamische Lageranalyse unter Berücksichtigung der Oberflächenrauheiten von Lager und Welle durchgeführt werden. „Glatte" Oberflächen kommen in der Praxis nicht vor. Stattdessen durchlaufen hydrodynamische Radialgleitlager bei An- und Auslaufvorgängen das Mischreibungsgebiet. In diesem Übergangsgebiet spielen Oberflächenrauheit von Lager und Welle eine große Rolle. Mit dem Modul wird die Rauheit umfassend berücksichtigt und ermöglicht so die vollständige Berechnung der Stribeckkurve.
  • Thermo: Je nach Betriebspunkt ändert sich auch die Temperatur im Lager. Dies führt zu lokal unterschiedlichen Viskositäten des Schmierstoffs und beeinflusst maßgeblich das Tragverhalten des Gleitlagers. Neben der Dimensionierung spielt auch das Lagerdesign eine wichtige Rolle beim Abtransport der entstehenden Wärme. Mit dem Modul wird der Temperatureinfluss im Gleitlager umfassend berücksichtigt und ermöglicht so ein optimales thermisches Management.

Ergänzendes zum Thema
Tipp: E-Learning zur Auslegung elektrischer Maschinen mit Motor-CAD

Cadfem hat sein Weiterbildungsangebot E-Learning ausgebaut und seinen Kurs „Auslegung elektrischer Maschinen mit Motor-CAD“ neu strukturiert. Der Referent und Autor Philipp Siehr zeigt, wie Anwender Motoren und Generatoren mit einfachen Simulationsverfahren schnell und zuverlässig entwerfen können: Beginnend mit den Grundlagen der Drehmoment- und Verlustberechnung, der Betrachtung von Maximalmoment und Wirkungsgrad, über thermische Netzwerke zur Untersuchung von Kühlkonzepten bis hin zu fortgeschrittenen Themen wie Automatisierung und Optimierung. Interessenten können die ersten 90 Minuten kostenfrei ansehen.

Weitere Infos dazu finden Sie auf www.cadfem.net.

Beispiel aus der Praxis: Redesign der Lagerschale

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“, sagt Felix Hartmann, Teamkoordinator Konstruktion Pumpen bei Hammelmann. Gefragt ist also Präzision.

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

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 ihr Zusammenwirken 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.

Auf einen Blick

Was die Cadfem-Erweiterung Tribo-X inside Ansys kann

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

  • 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
Weitere Infos zu Tribo-X inside Ansys

Mit Simulation flexibel bleiben

Reinigung, Schichtabtrag oder Wasserstrahlschneiden sind typische Einsatzgebiete für Plungerpumpen. Die Produkte von Hammelmann sind sowohl für Drücke bis 4.500 bar als auch für Fördermengen bis zu 3.000 l/min ausgelegt. Solche Geräte unterliegen strengen Vorschriften, die sich immer wieder ändern können – und Hersteller müssen darauf reagieren. Ein Beispiel ist die EU-Verordnung REACH zur Vermeidung von Blei in der Legierung der Gleitlagerschalen, die Auswirkungen auf die Produkte von Hammelmann hat. Für das Redesign erhielt die Lagerschale daher im Simulationsmodell die neue, vorschriftskonforme Legierung. Mit Tribo-X inside Ansys wurde das elasto-hydrodynamische Verhalten untersucht. Schnell fiel auf, dass das 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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Simulationsergebnisse am Prüfstand bestätigt

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 dass auch das Lagerdesign angepasst werden muss. Diese Konfiguration hat sich dann auf Anhieb am Prüfstand bestätigt. Felix Hartmann erklärt: „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. Darüber hinaus können die Belastungsgrenzen exakt ermittelt werden und das gesamte Maschinenverhalten ist besser steuerbar.“ Das wurde auch bei diesem Redesign-Projekt ausgenutzt: Dank der optimierten Lagerschale sinken die Reibungsverluste und dementsprechend auch der Energieverbrauch der Pumpe signifikant bei gleichzeitig längerer Lebensdauer.

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