In den Kunststoff integrierte Festschmierstoffe sorgen für positive tribologische Eigenschaften, wie die Reduzierung von Reibung und Verschleiss.

Ausgabe 04 | 2022

Trocken hohe Lasten lagern

igus® Schweiz GmbH

Hohe spezifische Lagerbelastungen kommen nicht nur im Schwermaschinenbau vor. Auch kleinste Lagerungen weisen oftmals Belastungen mit sehr hohen spezifischen Belastungen auf. Eine genaue Trennung zwischen niedrigen, mittleren und hohen spezifischen Belastungen gibt es nicht. In der Praxis können aber solche Lageranwendungen mit mehr als 10 N/mm2 als hoch belastet angesehen werden.

Die spezifische Lagerbelastung ist die mittlere Belastung des Lagers pro Flächeneinheit. Bei Gleitlagern hat sich dabei die Flächeneinheit 1 mm2 durchgesetzt. Während im Radiallager die Belastungen an jeder Stelle variieren, geht die Berechnung der spezifischen Belastung von einer gleichmässigen Verteilung der Kraft auf die projizierte Auflagefläche der Welle im Lager aus. Die maximal zulässige mittlere Flächenpressung ist für Gleitlager eine sehr wichtige mechanische Eigenschaft. Sie wird in der einen oder anderen Form für jedes Gleitlager angegeben. Damit wird ausgedrückt, für welche spezifischen Belastungen ein Gleitlager höchstens eingesetzt werden kann. Mit Gleitlagern aus modifizierten thermoplastischen Kunststoffen mit eingelagerten Festschmierstoffen lassen sich Lagerungen mit Flächenpressungen bis 150 N/mm2 realisieren. Bemerkenswert ist, dass diese Lager sogar unter solchen Belastungen Bewegungen mit geringen Geschwindigkeiten aufnehmen können. Andere Gleitlager, die Gleit- oder Schmiermittel benutzen, lassen oft nicht einmal Belastungen von 50 N/mm2 zu.

Wartungsfreie Gleitlager
Noch geringer ist die Belastbarkeit bei ölgeschmierten Lagern, die hydrodynamisch arbeiten: Die Tragfähigkeit ist vom Schmierstoff selbst, aber auch von der Wellenoberfläche, der Temperatur, vom Lagerspiel und vielen anderen Faktoren abhängig. Bei Gleitbewegungen muss sich ein Schmierfilm aufbauen, der die Welle vom Lager trennt. Bei sehr langsamen Bewegungen oder im Aussetzbetrieb kann der Film reissen.
Oszillierenden Bewegungen können zu Kavitationsschäden an den Lagern oder der Welle führen. Oft mischen sich zu den hohen spezifischen Pressungen noch andere Anforderungen, zum Beispiel Kantenbelastungen. Auf kleinstem Raum, auf dem sich niemals ein Schmierfilm bilden kann, werden Spitzenbelastungen wirksam. Misch- und Trockenreibung stellen sich ein, der Verschleiss schreitet rasch fort. Auch Schwingungen belasten die Lagerung unverhältnismässig. Kurzzeitige Berührungen von Welle und Lager, die nachhaltig das Tribosystem schädigen können, sind möglich. Das zeigt, dass bei hohen Belastungen der Gleitfilm ausfallen kann und dies zu grossen Problemen führt. Die Lösung können trocken laufende Gleitlager mit selbstschmierenden Eigenschaften sein. Ohne zusätzliche Schmierung, ohne Schmierfilm zwischen Welle und Lager kann dieser auch unter hohen Belastungen nicht weggedrückt werden. igus entwickelt seit 30 Jahren Werkstoffe für wartungsfreie Gleitlager. Ein Grundprinzip ist für alle Werkstoffe gleich: alle sind selbstschmierend und können trocken eingesetzt werden. Durch den Mikroabrieb werden ständig homogen verteilte Festschmierstoffteilchen freigesetzt. Sie lagern sich in die Täler der Wellenoberfläche ein.

Optimale Paarung von Gleitlager und Welle
Iglidur-Gleitlager bestehen aus speziell entwickelten thermoplastischen Compounds. Aus unterschiedlichen Materialien werden hochleistungsfähige Werkstoffe gemischt. Der Zusatz von technischen Fasern verstärkt die mechanische Belastbarkeit thermoplastischer Legierungen. Ausserdem übernimmt die Fasermatrix wichtige Aufgaben bei der Wärmformbeständigkeit und der Verschleissfestigkeit. Festschmierstoffe übernehmen die Aufgabe, die Reibwerte zu senken. Dadurch werden die abriebfesten Eigenschaften der thermoplastischen Legierung mit den Fasern zusätzlich verstärkt. Damit sie sich auch unter höchsten radialen Belastungen nicht wegdrücken können, müssen sie mikrofein in dem Werkstoff verteilt sein. Es kommt darauf an, Materialeigenschaften zu verbessern, ohne auf der anderen Seite andere wichtige Eigenschaften negativ zu beeinflussen. Bei iglidur Gleitlagern unterstützen sich alle Komponenten – thermoplastische Legierung, Fasermatrix und Festschmierstoffe – gegenseitig und haben gute Gleit- und sehr gute Abriebeigenschaften. Sobald die Lager dynamisch belastet werden, entsteht ein Mikroabrieb der Festschmierstoffe und thermoplastischen Komponenten. Dieser Mikroabrieb füllt das Rauhigkeitsprofil der Welle, der Selbstschmiereffekt entsteht.
Nach der Einlaufphase nimmt der Mikroabrieb rapide ab, es beginnt die Phase des nahezu verschleissfreien Laufs. Ohne einen Film auf der Welle zu bilden entsteht so eine optimale Paarung von Gleitlager und Welle. Dieser wichtige Unterschied erklärt auch die gute Eignung von iglidur-Gleitlagern für lineare Bewegungen. Das Lager muss nicht die Welle über die gesamte Strecke dauernd mit einem Gleitfilm überziehen. Probleme mit Gleitschichten können entstehen, weil das Lager diesen Film bei der nächsten Bewegung vor sich her schiebt. Oder es binden sich feine Schmutzpartikel in der Gleitschicht. Bei Kunststoff-Gleitlagern reicht es, wenn sich Welle und Lager einlaufen. Dann sind lange Strecken mit niedrigem Gleitwert und geringstem Verschleiss zu bewältigen.

Verformung der Lager verhindern
Ein Beispiel für Anwendungen, bei denen die Vorteile der homogenen Verteilung der Festschmierstoffe im Vordergrund stehen, sind Förderketten. Abhängig von den zu fördernden Lasten entstehen grösste Zugkräfte, die auf die Kettenglieder und die Gelenke wirken. An den Umlenkpunkten kommt es zu sehr kleinen Schwenkbewegungen in den Gelenken. Ein weicher Schmierfilm würde sich bei der dauernden, sehr hohen Belastung von der eigentliche Lagerstelle wegdrücken. Dadurch kommt es bei den ständig neu einsetzenden Bewegungen zum Anlaufen ohne Schmierung. Durch die kleine Schwenkbewegung wird das Schmiermittel nicht wieder an die Lagerstelle transportiert. Im Laufe der Zeit kommt es so zu einer Mangelschmierung. Iglidur-Gleitlager mit ihren homogen verteilten Festschmierstoffen bringen entscheidende Vorteile. Trotz hoher radialer Drücke gibt das thermoplastische Compound mit seiner Fasermatrix nicht nach. Die mikroskopisch kleinen Schmierstoffpartikel bleiben so zwischen Welle und Lager eingebettet und werden bei der kleinsten Bewegung wirksam. In den Förderketten werden Belastungen an den Gelenkstellen bis zu 50 N/mm2 erreicht. Ausserdem werden solche Anlagen für den Transport ganz verschiedener Güter eingesetzt. Die Palette reicht von Telefonzellen, Autotüren und Damenmäntel bis zum Transport unverpackter Nahrungsmittel. In sehr vielen Fällen muss ausgeschlossen sein, dass Öle oder Fette von der Kette herabtropfen. Diese Gründe und die Kostenvorteile führten zum Einsatz von iglidur-G-Gleitlagern in diesen Förderketten. Ebenso bei Kantenbelastungen oder extremen Stössen und Schwingungen, die oft ein Vielfaches über der eigentlichen radialen Belastung liegen, kommt es darauf an, dass Schmierstoffe nicht von der Lagerstelle weg gequetscht werden können. Hier wirken sich zudem die elastischen Eigenschaften von Kunststoffen positiv aus. Sie verhindern, dass es zu einer bleibenden Verformung der Lager kommt.

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